المرجع الالكتروني للمعلوماتية
المرجع الألكتروني للمعلوماتية

الرياضيات
عدد المواضيع في هذا القسم 9761 موضوعاً
تاريخ الرياضيات
الرياضيات المتقطعة
الجبر
الهندسة
المعادلات التفاضلية و التكاملية
التحليل
علماء الرياضيات

Untitled Document
أبحث عن شيء أخر

Archimedes of Syracuse
18-10-2015
تطبيقات نظرية الضرورة في الدستور الأردني – المادة / 94 ( القوانين المؤقتة )
25-10-2015
التحدّي بمن انزل عليه القرآن‏
23-04-2015
The Origins of the Interatomic Force
24-5-2016
البيت هو الأصل وخارجه الاستثناء
2024-09-25
The bridge rectifier
8-5-2021

Biconjugate Gradient Method  
  
1141   05:41 مساءً   date: 30-11-2021
Author : Faber, V. and Manteuffel, T.
Book or Source : "Necessary and Sufficient Conditions for the Existence of a Conjugate Gradient Method." SIAM J. Numer. Anal. 21
Page and Part : ...


Read More
Date: 23-11-2021 1227
Date: 14-9-2021 1990
Date: 2-10-2021 977

Biconjugate Gradient Method

The conjugate gradient method is not suitable for nonsymmetric systems because the residual vectors cannot be made orthogonal with short recurrences, as proved in Voevodin (1983) and Faber and Manteuffel (1984). The generalized minimal residual method retains orthogonality of the residuals by using long recurrences, at the cost of a larger storage demand. The biconjugate gradient method (BCG) takes another approach, replacing the orthogonal sequence of residuals by two mutually orthogonal sequences, at the price of no longer providing a minimization.

The update relations for residuals in the conjugate gradient method are augmented in the biconjugate gradient method by relations that are similar but based on A^(T) instead of A. Thus we update two sequences of residuals

r^((i)) = r^((i-1))-alpha_iAp^((i))

(1)

r^~^((i)) = r^~^((i-1))-alpha_iA^(T)p^~^((i))

(2)

and two sequences of search directions

p^((i)) = r^((i-1))+beta_(i-1)p^((i-1))

(3)

p^~^((i)) = r^~^((i-1))+beta_(i-1)p^~^((i-1)).

(4)

The choices

alpha_i = (r^~^((i-1)^(T))r^((i-1)))/(p^~^((i)^(T))Ap^((i)))

(5)

beta_i = (r^~^((i)^(T))r^((i)))/(r^~^((i-1)^(T))r^((i-1)))

(6)

ensure the orthogonality relations

 r^~^((i)^(T))r^((j))=p^~^((i)^(T))Ap^((j))=0

(7)

if i!=j.

Few theoretical results are known about the convergence of the biconjugate gradient method. For symmetric positive definite systems, the method delivers the same results as the conjugate gradient method, but at twice the cost per iteration. For nonsymmetric matrices, it has been shown that in phases of the process where there is significant reduction of the norm of the residual, the method is more or less comparable to the full generalized minimal residual method in terms of numbers of iterations (Freund and Nachtigal 1991). In practice, this is often confirmed, but it is also observed that the convergence behavior may be quite irregular, and the method may even break down. The breakdown situation due to the possible event that

 z^((i-1)^(T))r^~^((i-1)) approx 0

(8)

can be circumvented by so-called look-ahead strategies (Parlett et al. 1985). The other breakdown situation,

 p^~^((i)^(T))q^((i)) approx 0

(9)

occurs when the LU decomposition fails (c.f. conjugate gradient method), and can be repaired by using another decomposition. This is done for example in some versions of the quasi-minimal residual method.

Sometimes, breakdown or near breakdown situations can be satisfactorily avoided by a restart at the iteration step immediately before the (near) breakdown step. Another possibility is to switch to a more robust (but possibly more expensive) method such as the generalized minimal residual method.

BCG requires computing a matrix-vector product Ap^((k)) and a transpose product A^(T)p^~^((k)). In some applications, the latter product may be impossible to perform, for instance if the matrix is not formed explicitly and the regular product is only given in operation form, for instance as a function call evaluation.

In a parallel environment, the two matrix-vector products can theoretically be performed simultaneously; however, in a distributed-memory environment, there will be extra communication costs associated with one of the two matrix-vector products, depending upon the storage scheme for A. A duplicate copy of the matrix will alleviate this problem, at the cost of doubling the storage requirements for the matrix.

Care must also be exercised in choosing the preconditioner, since similar problems arise during the two solves involving the preconditioning matrix.

It is difficult to make a fair comparison between the generalized minimal residual method (GMRES) and BCG. GMRES really minimizes a residual, but at the cost of increasing work for keeping all residuals orthogonal and increasing demands for memory space. BCG does not minimize a residual, but often its accuracy is comparable to GMRES, at the cost of twice the amount of matrix vector products per iteration step. However, the generation of the basis vectors is relatively cheap and the memory requirements are modest. Several variants of BCG have been proposed (e.g., conjugate gradient squared method and biconjugate gradient stabilized method) that increase the effectiveness of this class of methods in certain circumstances.


REFERENCES:

Barrett, R.; Berry, M.; Chan, T. F.; Demmel, J.; Donato, J.; Dongarra, J.; Eijkhout, V.; Pozo, R.; Romine, C.; and van der Vorst, H. Templates for the Solution of Linear Systems: Building Blocks for Iterative Methods, 2nd ed. Philadelphia, PA: SIAM, 1994. http://www.netlib.org/linalg/html_templates/Templates.html.

Faber, V. and Manteuffel, T. "Necessary and Sufficient Conditions for the Existence of a Conjugate Gradient Method." SIAM J. Numer. Anal. 21, 315-339, 1984.

Freund, R. and Nachtigal, N. "QMR: A Quasi-Minimal Residual Method for Non-Hermitian Linear Systems." Numer. Math. 60, 315-339, 1991.

Parlett, B. N. Taylor, D. R.; and Liu, Z. A. "A Look-Ahead Lanczos Algorithm for Unsymmetric Matrices." Math. Comput. 44, 105-124, 1985.

Voevodin, V. "The Problem of Non-Self-Adjoint Generalization of the Conjugate Gradient Method is Closed." U.S.S.R. Comput. Maths. and Math. Phys. 23, 143-144, 1983.




الجبر أحد الفروع الرئيسية في الرياضيات، حيث إن التمكن من الرياضيات يعتمد على الفهم السليم للجبر. ويستخدم المهندسون والعلماء الجبر يومياً، وتعول المشاريع التجارية والصناعية على الجبر لحل الكثير من المعضلات التي تتعرض لها. ونظراً لأهمية الجبر في الحياة العصرية فإنه يدرّس في المدارس والجامعات في جميع أنحاء العالم. ويُعجب الكثير من الدارسين للجبر بقدرته وفائدته الكبيرتين، إذ باستخدام الجبر يمكن للمرء أن يحل كثيرًا من المسائل التي يتعذر حلها باستخدام الحساب فقط.وجاء اسمه من كتاب عالم الرياضيات والفلك والرحالة محمد بن موسى الخورازمي.


يعتبر علم المثلثات Trigonometry علماً عربياً ، فرياضيو العرب فضلوا علم المثلثات عن علم الفلك كأنهما علمين متداخلين ، ونظموه تنظيماً فيه لكثير من الدقة ، وقد كان اليونان يستعملون وتر CORDE ضعف القوسي قياس الزوايا ، فاستعاض رياضيو العرب عن الوتر بالجيب SINUS فأنت هذه الاستعاضة إلى تسهيل كثير من الاعمال الرياضية.

تعتبر المعادلات التفاضلية خير وسيلة لوصف معظم المـسائل الهندسـية والرياضـية والعلمية على حد سواء، إذ يتضح ذلك جليا في وصف عمليات انتقال الحرارة، جريان الموائـع، الحركة الموجية، الدوائر الإلكترونية فضلاً عن استخدامها في مسائل الهياكل الإنشائية والوصف الرياضي للتفاعلات الكيميائية.
ففي في الرياضيات, يطلق اسم المعادلات التفاضلية على المعادلات التي تحوي مشتقات و تفاضلات لبعض الدوال الرياضية و تظهر فيها بشكل متغيرات المعادلة . و يكون الهدف من حل هذه المعادلات هو إيجاد هذه الدوال الرياضية التي تحقق مشتقات هذه المعادلات.