Вроде проблемы, когда SOR быстрее, чем Гаусс-Зайдель?


9

Есть ли простое эмпирическое правило, чтобы сказать, стоит ли делать SOR вместо Gauss-Seidel? (и возможный способ, как оценить параметр перехвата )ω

Я имею в виду, просто глядя на матрицу , или знание конкретной проблемы, которую представляет матрица?

Я читал ответ на этот вопрос: есть ли эвристика для оптимизации метода последовательной избыточной релаксации (SOR)? но это слишком сложно. Я не вижу простой эвристики, как оценить спектральный радиус, просто глядя на матрицу (или проблему, которую он представляет).

Я хотел бы кое-что намного более простое - только несколько примеров матриц (проблем), для которых SOR сходятся быстрее.


Я экспериментировал с SOR для матрицы этого короля: где - единичная матрица, и s - случайные числа из равномерного распределения, такие что . Я думал, что будет некоторая зависимость оптимального от параметров .A=I+C+RICij=c i,jRij|Rij|<rωc,r

РЕДАКТИРОВАТЬ: я использовал очень маленький чтобы убедиться, что сильно доминирует по диагонали. ( , для матрицы размерности 5-10). Я также должен сказать, что эти были реальными и симметричными.c,rA|c|<0.1r<2|c|A

Однако я обнаружил, что Гаусс-Зайдель ( ) почти всегда лучший (?)ω=1 . Означает ли это, что должна быть еще какая-то корреляция между s, чтобы получить преимущество от SOR? Или я что-то не так сделал? Aij


Я знаю, что SOR не самый эффективный решатель (по сравнению с CG, GMRES ...), но его легко реализовать, парализовать и модифицировать для конкретной проблемы. Конечно, хорошо для прототипирования.

Ответы:


5

Сходимость классических итерационных решателей для линейных систем определяется спектральным радиусом итерационной матрицы . Для обычной линейной системы трудно определить оптимальный (или даже хороший) параметр SOR из-за сложности определения спектрального радиуса итерационной матрицы. Ниже я включил много дополнительных деталей, включая пример реальной проблемы, когда известен оптимальный вес SOR.ρ(G)

Спектральный радиус и сходимость

Спектральный радиус определяется как абсолютное значение собственного значения наибольшей величины. Метод будет сходиться, если и меньший спектральный радиус означает более быструю сходимость. SOR работает, изменяя расщепление матрицы, используемое для выведения итерационной матрицы, основываясь на выборе весового параметра , надеясь уменьшить спектральный радиус результирующей итерационной матрицы.ρ<1ω

Матричное разбиение

Для обсуждения ниже я буду предполагать, что решаемая система определяется

Ax=b,

с итерацией вида

x(k+1)=v+Gx(k),

где - вектор, а номер итерации обозначается .vkx(k)

SOR принимает средневзвешенное значение старой итерации и итерации Гаусса-Зейделя. Метод Гаусса-Зейделя основан на матричном расщеплении вида

A=D+L+U

где - диагональ , - нижняя треугольная матрица, содержащая все элементы строго ниже диагонали, а - верхняя треугольная матрица содержащий все элементы строго выше диагонали. Затем итерация Гаусса-ЗейделяDALARA

x(k+1)=(D+L)1b+GGSx(k)

и итерационная матрица

GGS=(D+L)1U.

SOR может быть записан как

x(k+1)=ω(D+ωL)1b+GSORx(k)

где

GSOR=(D+ωL)1((1ω)DωU).

Определение скорости сходимости итерационной схемы действительно сводится к определению спектрального радиуса этих итерационных матриц. В общем, это сложная проблема, если вы не знаете что-то конкретное о структуре матрицы. Мне известно лишь несколько примеров, где вычисляется оптимальный весовой коэффициент. На практике необходимо определять на лету на основе наблюдаемой (предполагаемой) сходимости алгоритма бега. Это работает в некоторых случаях, но не в других.ω

Оптимальный СОР

Один реалистический пример, где известен оптимальный весовой коэффициент, возникает в контексте решения уравнения Пуассона:

2u=f in Ωu=g on Ω

Дискретизация этой системы в квадратной области в 2D с использованием конечных разностей второго порядка с равномерным шагом сетки приводит к симметричной полосовой матрице с 4 по диагонали, -1 непосредственно выше и ниже диагонали и еще двумя полосами -1 на некотором расстоянии от диагональ. Есть некоторые различия из-за граничных условий, но это основная структура. Учитывая эту матрицу, доказуемо оптимальный выбор для коэффициента SOR дается

ω=21+sin(πΔx/L)

где - интервал сетки, а - размер домена. В этом случае для простого случая с известным решением выдается следующая ошибка в зависимости от числа итераций для этих двух методов:ΔxL

Ошибка Гаусса-Зейделя и SOR

Как вы можете видеть, SOR достигает точности машины примерно за 100 итераций, когда Гаусс-Зейдель на 25 порядков хуже. Если вы хотите поиграть с этим примером, я включил код MATLAB, который использовал ниже.

clear all
close all

%number of iterations:
niter = 150;

%number of grid points in each direction
N = 16;
% [x y] = ndgrid(linspace(0,1,N),linspace(0,1,N));
[x y] = ndgrid(linspace(-pi,pi,N),linspace(-pi,pi,N));
dx = x(2,1)-x(1,1);
L = x(N,1)-x(1,1);

%desired solution:
U = sin(x/2).*cos(y);

% Right hand side for the Poisson equation (computed from U to produce the
% desired known solution)
Ix = 2:N-1;
Iy = 2:N-1;
f = zeros(size(U));
f(Ix,Iy) = (-4*U(Ix,Iy)+U(Ix-1,Iy)+U(Ix+1,Iy)+U(Ix,Iy-1)+U(Ix,Iy+1));

figure(1)
clf
contourf(x,y,U,50,'linestyle','none')
title('True solution')

%initial guess (must match boundary conditions)
U0 = U;
U0(Ix,Iy) = rand(N-2);

%Gauss-Seidel iteration:
UGS = U0; EGS = zeros(1,niter);
for iter=1:niter
    for iy=2:N-1
        for ix=2:N-1
            UGS(ix,iy) = -1/4*(f(ix,iy)-UGS(ix-1,iy)-UGS(ix+1,iy)-UGS(ix,iy-1)-UGS(ix,iy+1));
        end
    end

    %error:
    EGS(iter) = sum(sum((U-UGS).^2))/sum(sum(U.^2));
end

figure(2)
clf
contourf(x,y,UGS,50,'linestyle','none')
title(sprintf('Gauss-Seidel approximate solution, iteration %d', iter))
drawnow

%SOR iteration:
USOR = U0; ESOR = zeros(1,niter);
w = 2/(1+sin(pi*dx/L));
for iter=1:niter
    for iy=2:N-1
        for ix=2:N-1
            USOR(ix,iy) = (1-w)*USOR(ix,iy)-w/4*(f(ix,iy)-USOR(ix-1,iy)-USOR(ix+1,iy)-USOR(ix,iy-1)-USOR(ix,iy+1));
        end
    end

    %error:
    ESOR(iter) = sum(sum((U-USOR).^2))/sum(sum(U.^2));
end

figure(4)
clf
contourf(x,y,USOR,50,'linestyle','none')
title(sprintf('Gauss-Seidel approximate solution, iteration %d', iter))
drawnow


figure(5)
clf
semilogy(EGS,'b')
hold on
semilogy(ESOR,'r')
title('L2 relative error')
xlabel('Iteration number')
legend('Gauss-Seidel','SOR','location','southwest')

Знаете ли вы какие-либо хорошие / хорошо известные методы, которые используются для вычисления параметра SOR на лету? Я слышал ранее, что эти методы используют оценки спектрального радиуса - не могли бы вы объяснить, как они используют спектральный радиус, или обеспечить хороший эталон?
nukeguy

О, я вижу, что это решается в связанном вопросе scicomp.stackexchange.com/questions/851/… . Не берите в голову мои вопросы, но если у вас есть что добавить, пожалуйста, не стесняйтесь.
nukeguy

@ Дуг Липински Я думал, что f нужно умножить на dx * dy. Этот фактор происходит от дискретной второй производной (см. Здесь, например). Кстати, когда я делаю это, алгоритм не работает должным образом. Ты знаешь почему?
Шамалая

0

Эта сторона вещей на самом деле не моя специальность, но я не думаю, что это супер-честный тест для многих реалистичных приложений.

Я не уверен, какие значения вы использовали для c и r , но я подозреваю, что вы работали с крайне плохо обусловленными матрицами. (Ниже приведен код Python, показывающий, что это могут быть не самые обратимые матрицы.)

>>> import numpy
>>> for n in [100, 1000]:
...     for c in [.1, 1, 10]:
...         for r in [.1, 1, 10]:
...             print numpy.linalg.cond(
...                 numpy.eye(n) + 
...                 c * numpy.ones((n, n)) + 
...                 r * numpy.random.random((n, n))
...             )
... 
25.491634739
2034.47889101
2016.33059429
168.220149133
27340.0090644
5532.81258852
1617.33518781
42490.4410689
5326.3865534
6212.01580004
91910.8386417
50543.9269739
24737.6648458
271579.469212
208913.592289
275153.967337
17021788.5576
117365.924601

Если вам действительно нужно инвертировать матрицы, которые плохо обусловлены, вы бы: а) использовали специализированный метод, и б), вероятно, просто пошли бы искать новое поле.

Для хорошо подготовленных матриц любого размера SOR, вероятно, будет быстрее. Для реальных проблем, где важна скорость, было бы редко использовать SOR - со сложной стороны, сейчас намного лучше; На медленной, но надежной стороне SOR - не лучшее, что вы можете сделать.


привет, я не говорю, что мой "тест" честен Я бы даже не сказал, что это тест, это просто моя наивная попытка понять, как SOR и Gauss-Seidel ведут себя экспериментально. Предположим, что я полный нуб в этой области. Мои параметры были в диапазоне и, Чтобы убедиться, что матрица сильно диагонально доминантна (я использовал меньшие матрицы размерности ~ 10)0.01<|c|<0.1r<2|c|
Прокоп Хапала

Я собирался сказать, что сильно по диагонали доминирует.
Meawoppl

0

Итак, для симметричных матриц этого короля:

1 t 0 0 0 0 t t 0 0 
t 1 0 0 0 0 0 0 0 0 
0 0 1 0 0 0 0 t 0 t 
0 0 0 1 0 0 0 0 0 t 
0 0 0 0 1 t 0 0 0 0 
0 0 0 0 t 1 0 t 0 0 
t 0 0 0 0 0 1 0 0 0 
t 0 t 0 0 t 0 1 0 0 
0 0 0 0 0 0 0 0 1 t 
0 0 t t 0 0 0 0 t 1 

SOR сходится быстрее, чем Gauss-Seidel, если число s в каждом ряду мало (намного меньше, чем размерность A) и если все s одинаковы. Я использовал s, сгенерированный так:ttt

ti=c+random(r,r)

Если s сильно варьируются и центрированы вокруг 0 ​​( ), то Гаусс-Зайдель быстрее. Гаусс-Зайдель также быстрее, если каждый ряд более чем наполовину заполнен s. Это также означает, что SOR лучше для очень больших и очень разреженных матриц.tc=0,r=0.1t

(Это просто эмпирическое наблюдение, ничего строгого)

Используя наш сайт, вы подтверждаете, что прочитали и поняли нашу Политику в отношении файлов cookie и Политику конфиденциальности.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.