复对称线性系统数值解法的研究

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本文主要讨论如何数值求解复对称线性系统:Ax=(W+lT)x=b,这里矩阵W是实对称正定,矩阵T是实对称半正定的。这类复对称线性系统出现在很多应用中。例如:波传播(Helmholtz方程),扩散光学层析,量子力学(Schr(o)dinger方程),分子散射,电磁学(麦斯威尔方程),结构动力学(机械系统的频率响应分析),电路分析和量子色动力学(QCD框架),高速列车振动分析。复对称线性系统也可能从某些移位和逆特征值算法的使用中产生。另外,它与如下形式的广义鞍点问题可相互转化。(W-T T W)(yz)=(p q).本文主要给出一些求解复对称线性系统的迭代方法,并对这些方法进行收敛性分析,同时提出一些相应的预处理方法。  复线性系统的系数矩阵A存在这样一种分裂形式:A=H+S,这里矩阵H=1/2(A+A*),S=1/2(A-A*).容易看出矩阵H和S分别是Hermitian和skew-Hermitian,因此这种分裂被称为HS分裂。基于这种分裂形式,我们介绍了白中治等专家提出的一系列的数值迭代算法,这些算法里面都至少含有一个参数。最原始的算法是HSS迭代算法;为了更充分地利用矩阵W和T的结构特点,产生了MHSS迭代算法;进一步,为了使MHSS迭代算法中参数的选取变得容易,PMHSS迭代算法出现了;在本文,为了使PMHSS迭代算法能适用于一些特殊情况,我们将原来的单参数形式改成了双参数,形成了ADPMHSS迭代算法。通过理论分析和数值实验,可以看出我们改进后的算法是有优势的。同时,我们提出了一种新的迭代算法——CRI迭代算法,通过理论分析和数值实验,可以证实CRI迭代算法比PMHSS迭代算法有很大的优势。  因为复对称线性系统与广义鞍点问题有着密切联系,我们会说明了PMHSS迭代算法如何应用于求解广义鞍点问题。与此同时,我们也介绍了一些专门求解广义鞍点问题的数值迭代算法。例如:广义超松弛迭代算法。  通过对这些迭代算法的分析,我们得出了一些结论:首先,HSS迭代算法适用的范围最为广泛。其次,PMHSS迭代算法完全取代了MHSS迭代算法,另外它最大的优点是将参数的选取过程大大简化,或者说直接省略了参数,让参数取固定数值。然后,ADPMHSS迭代算法比PMHSS迭代算法要好,PMHSS迭代算法可以看做ADPMHSS迭代算法的特殊形式。ADPMHSS迭代算法采用的是双参数,在选取参数时,参数之间存在着一定的关系。最后,CRI迭代算法是一种非常好的算法,不仅参数可以选取固定数值,而且迭代步数和计算时间都较少。
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