python:共轭梯度法,特征值聚堆情况下迭代次数讨论

该博客通过Python代码探讨了共轭梯度法在不同特征值聚堆情况下的迭代次数。实验涉及对角矩阵,其中特征值聚堆和分散的情况分别进行了分析。结果显示,特征值聚堆时,尤其是当聚堆的特征值差小于迭代精度,迭代次数会减少。矩阵的结构对共轭梯度法的收敛速度有显著影响。

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共轭梯度法,特征值聚堆情况下迭代次数讨论

输入各种特征值聚堆与分散时的矩阵,并应用共轭梯度法,观察迭代次数与聚堆情况的关系。
解线性方程组

  • 因为对角矩阵的对角线元素为其特征值,则用对角矩阵讨论较为方便
    代码
import numpy as np

def cg(x0, A, b):
    r0 = np.dot(A, x0) - b
    p0 = -r0
    rk = r0
    pk = p0
    xk = x0
    t = 0 #记录迭代次数
    while np.linalg.norm(rk) >= 1e-6:
        rr = np.dot(rk.T, rk)
        ak = rr / np.dot(np.dot(pk.T, A), pk)
        xk = xk + ak * pk
        rk = rk + ak * np.dot(A, pk)
        bk = np.dot(rk.T, rk) / rr
        pk = -rk + bk * pk
        t += 1
    return xk, t

#输入列表,生成以列表为对角元素的对角矩阵
def Diagonal_matrix(D):
    n = len(D)
    diag = np.zeros((n,n))
    for i in range(n):
        diag[i][i] = D[i]
    return diag
#矩阵对角线元素
D_1 = [1, 1, 1, 1, 1, 6, 7, 8, 9, 10]
D_2 = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]
D_3 = [0.8, 0.9, 1, 1.1, 1.2, 6, 7, 8, 9, 10]
D_4 = [1 - 2*1e-7, 1 - 1e-7, 1, 1 + 1e-7, 1 + 2*1e-7, 6, 7, 8, 9, 10]
D_5 = [1, 1, 1, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 10]
#初始值
x0 = np.zeros((10,1))
b = np.ones((10,1))     
#生成对角矩阵
diag1 = Diagonal_matrix(D_1)
diag2 = Diagonal_matrix(D_2)
diag3 = Diagonal_matrix(D_3)
diag4 = Diagonal_matrix(D_4)
diag5 = Diagonal_matrix(D_5)
#共轭梯度法迭代
x_1, n_1 = cg(x0, diag1, b)
x_2, n_2 = cg(x0, diag2, b)
x_3, n_3 = cg(x0, diag3, b)
x_4, n_4 = cg(x0, diag4, b)
x_5, n_5 = cg(x0, diag5, b)
n = [n_1, n_2, n_3, n_4, n_5]
#输出
for i in range(5):
     print('矩阵',i + 1 ,'的迭代次数为: ', n[i])

在这里插入图片描述

  • 矩阵1,前5个元素聚堆且都为相同元素
    在这里插入图片描述
  • 矩阵2,特征值分散
    在这里插入图片描述
  • 矩阵3,前5个特征值聚堆,但是最大差为0.4 ,而cg法精度为1e-6
    在这里插入图片描述
  • 矩阵4,前5个特征值聚堆,且相差最大小于1e-6
    在这里插入图片描述
  • 矩阵5,三聚堆
    输出:
    在这里插入图片描述
    分析:
  • 聚堆特征值可看作一个特征值
  • 特征值差小于迭代精度时被看作聚堆
  • 例如矩阵5,前三个对角元素看作一个,4-6元素看作一个,7-9看作一个 一共4个元素,则需要迭代4次
### 重加权共轭梯度法概述 重加权共轭梯度法是一种改进型的共轭梯度算法,通常用于解决具有特殊结构的目标函数优化问题。其核心思想是在传统共轭梯度法的基础上引入权重调整机制,使得搜索方向更加适应目标函数的具体特性[^1]。 #### 基本原理 传统的共轭梯度法通过构建一组互相共轭的方向来逼近二次型目标函数的极小值点。然而,在处理非二次型或大规模稀疏矩阵问题时,标准方法可能存在收敛速度较慢等问题。为此,重加权策略被提出以增强算法性能。具体而言,重加权共轭梯度法通过对每一步迭代中的残差向量施加重权操作,从而动态调节搜索方向和步长的选择[^2]。 以下是基于文献描述的一个典型实现框架: ```python def reweighted_conjugate_gradient(A, b, initial_x, max_iter=100, tol=1e-8): """ A: 对称正定矩阵 (n x n) b: 右端项向量 (n,) initial_x: 初始猜测解 (n,) max_iter: 最大迭代次数 tol: 收敛容忍误差 """ import numpy as np x = initial_x.copy() r = b - A @ x # 初始化残差 p = r.copy() # 初始化搜索方向 rsold = np.dot(r.T, r) for i in range(max_iter): Ap = A @ p alpha = rsold / np.dot(p.T, Ap) # 计算步长alpha x += alpha * p # 更新当前解x r -= alpha * Ap # 更新残差r rsnew = np.dot(r.T, r) beta = rsnew / rsold # 计算beta参数 p = r + beta * p # 更新搜索方向p if np.sqrt(rsnew) < tol: # 如果满足收敛条件,则退出循环 break # 引入重加权因子w_i w = compute_weight_factor(i, r) # 自定义函数compute_weight_factor根据i和r计算权重 r *= w # 调整残差向量 rsold = rsnew # 准备下一轮迭代 return x ``` 在此代码片段中,`compute_weight_factor` 是一个假设的自定义函数,负责依据特定规则生成每一维对应的权重 \( w \)[^3]。 #### 应用场景分析 重加权共轭梯度法广泛应用于图像重建、信号处理以及机器学习等领域。特别是在压缩感知(Compressed Sensing)技术里,它能够有效恢复稀疏信号模型下的原始数据集。此外,当面对病态线性方程组求解任务时,这种方法也表现出显著优势,因为它可以通过适当设置初始权重减轻数值不稳定性的影响[^4]。 #### 性能对比与优化建议 相较于经典版本或其他高级优化器如BFGS类拟牛顿法,虽然理论上两者并无绝对优劣之分,但在实际工程实践中发现对于某些特定类型的大型稀疏系统来说,前者往往具备更快的实际运行效率及更低内存消耗特征。为了进一步提升效果,可以从以下几个方面着手考虑: - **预处理阶段**:采用合适的矩阵分解技巧降低整体复杂度; - **动态调参方案设计**:探索更精细灵活的方式决定各轮次内的局部最佳超参数组合; - **并行化架构支持**:充分利用现代多核处理器资源加速运算过程。
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