Кіріспе
Шешімнің әрбір жуықтауы алдыңғы жуықтаулардан туындайтын алгоритм. Есептеу математикасында итерациялық әдіс – бастапқы мәнді пайдаланып, проблемалар класы үшін жақсарылатын жуық шешімдер тізбегін жасауға арналған математикалық процедура, онда n-ші жуықтау алдыңғыларынан алынады. Градиенттік төмен түсу, төбеге шығу, Ньютон әдісі немесе BFGS сияқты квази-Ньютон әдістері сияқты берілген итерациялық әдістің тоқтау шарттарымен нақты іске асырылуы – итерациялық әдістің алгоритмі болып табылады. Итерациялық әдіс, егер сәйкес тізбек берілген бастапқы жуықтаулар үшін жақынсаса, конвергентті деп аталады. Итерациялық әдістің математикалық тұрғыдан қатаң жақынсу талдауы әдетте жүргізіледі; алайда, эвристикалық негізделген итерациялық әдістер де жиі кездеседі. Керісінше, тікелей әдістер проблеманы шекті операциялар тізбегі арқылы шешуге тырысады. Дөңгелектеу қатесі болмаған жағдайда, тікелей әдістер нақты шешім береді (мысалы, Гаусс жою арқылы сызықтық теңдеулер жүйесін шешу). Итерациялық әдістер сызықтық емес теңдеулер үшін көбінесе жалғыз мүмкіндік болып табылады. Дегенмен, итерациялық әдістер көптеген айнымалыларды қамтитын сызықтық проблемалар үшін де пайдалы болуы мүмкін (кейде миллиондаған), онда тікелей әдістер тіпті ең жақсы есептеу қуатымен де тым қымбат (ал кейбір жағдайларда мүмкін емес) болады.
In computational mathematics, an iterative method is a mathematical procedure that uses an initial value to generate a sequence of improving approximate solutions for a class of problems, in which the n th approximation is derived from the previous ones. A specific implementation with termination criteria for a given iterative method like gradient descent, hill climbing, Newton's method, or quasi Newton methods like BFGS, is an algorithm of the iterative method. An iterative method is called convergent if the corresponding sequence converges for given initial approximations. A mathematically rigorous convergence analysis of an iterative method is usually performed; however, heuristic based iterative methods are also common. In contrast, direct methods attempt to solve the problem by a finite sequence of operations. In the absence of rounding errors, direct methods would deliver an exact solution (for example, solving a linear system of equations by Gaussian elimination). Iterative methods are often the only choice for nonlinear equations. However, iterative methods are often useful even for linear problems involving many variables (sometimes on the order of millions), where direct methods would be prohibitively expensive (and in some cases impossible) even with the best available computing power.
Тартымды тұрақты нүктелер
Егер теңдеу f(x) = x түрінде жазылса және x шешімі f функциясының тартымды тұрақты нүктесі болса, онда x-тің тартымдылық аймағындағы x1 нүктесінен бастап, xn+1 = f(xn) , n ≥ 1 үшін есептеуге болады, және {xn}n ≥ 1 тізбегі x шешіміне жақындасады. Мұнда xn – x-тің n-ші жуықтауы немесе итерациясы, ал xn+1 – x-тің келесі немесе n+1 итерациясы. Басқаша айтқанда, сандық әдістерде жақша ішіндегі үстін сызықтар жиі қолданылады, басқа мағыналары бар төменін сызықтармен шатастырмау үшін. (Мысалы, x⁽ⁿ⁺¹⁾ = f(x⁽ⁿ⁾).) Егер f функциясы үздіріссіз дифференциалданатын болса, жақындасу үшін жеткілікті шарт – туындының спектрлік радиусы тұрақты нүкте маңында бірден кем болуы керек. Егер бұл шарт тұрақты нүктеде орындалса, онда жеткілікті кішкентай аймақ (тартымдылық аймағы) бар болады.
Сызықтық жүйелер
Сызықтық теңдеулер жүйесінде итерациялық әдістердің екі негізгі классы – стационарлық итерациялық әдістер және көбірек мүмкіндік беретін Крылов субкеңістік әдістері.
Кіріспе
Стационарлық итеративтік әдістер түпнұсқа операторға жуық оператормен сызықтық жүйені шешеді; және нәтижедегі қателік (қалдық) өлшеміне негізделген "түзету теңдеуін" құрып, осы процесті қайталайды. Бұл әдістерді туындыру, іске асыру және талдау оңай болғанымен, конвергенция тек шектеулі матрицалар класы үшін ғана кепілдігімен қамтамасыз етіледі.
Крылов субғарыштық әдістері
Крылов субкеңістік әдістері бастапқы қалдыққа матрицалық күштердің тізбегін (Крылов тізбегі) көбейту арқылы негіз құру принципінде жұмыс істейді. Шешімге жуықтаулар осы субкеңістікте қалдықты азайту арқылы анықталады. Бұл кластағы негізгі әдіс – конъюгациялық градиент әдісі (КГ), ол жүйелік матрицаның симметриялық және оң анықталатын екенін қабылдайды. Симметриялық (немесе белгісіз) матрицалар үшін ең аз қалдық әдісі (MINRES) қолданылады. Ал симметриялық емес матрицалар үшін жалпыланған ең аз қалдық әдісі (GMRES) және биконъюгат градиент әдісі (BiCG) әзірленген.
Крылов субғарыш әдістерінің конвергенциясы
Бұл әдістер негіз құрайтындықтан, әдіс N итерацияда жинақталады, мұндағы N – жүйе мөлшері. Дегенмен, дөңгелектеу қателіктері болған жағдайда бұл тұжырым дұрыс емес; одан асып, практикада N өте үлкен болуы мүмкін, ал итерациялық процесс қажетті дәлдікке бұрын-ақ жетеді. Бұл әдістерді талдау қиын, себебі ол оператор спектрінің күрделі функциясына байланысты.
Алдын ала шарттауыштар
Тұрақты итеративтік әдістерде кездесетін жуықтау операторы, GMRES сияқты Крылов кеңістігі әдістеріне де енгізілуі мүмкін (немесе, алдын ала шартталған Крылов әдістерін тұрақты итеративтік әдістерді жылдамдату ретінде қарастыруға болады), онда олар бастапқы операторды жақсырақ шартталған операторға түрлендіреді. Алдын ала шарттаушыларды құру – зерттеудің кең саласы.
Тарих
Джамшид әл-Каши 1° синусын және "Акорд және синустың трактатында" жоғары дәлдікпен есептеу үшін итеративтік әдістерді пайдаланды. Сызықтық жүйені шешуге арналған алғашқы итеративтік әдіс Гаустың өзінің бір студентіне жазған хатында кездеседі. Ол 4x4 теңдеулер жүйесін ең үлкен қалдыққа ие компонентті қайта-қайта шешу арқылы шығаруды ұсынды. Стационарлық итеративтік әдістердің теориясы 1950 жылдары Д.М. Янгтың жұмыстары арқасында қалыптасты. Конъюгатты градиент әдісі де 1950 жылдары Корнелиус Ланчос, Магнус Хестенес және Эдуард Стифельдің тәуелсіз зерттеулерінің нәтижесінде пайда болды, бірақ оның мәні мен қолданылу аймағы сол кезде толыққанды түсінілмеді. Тек 1970 жылдары ғана конъюгацияға негізделген әдістердің ішінара дифференциалдық теңдеулерді, әсіресе эллипстік типтегі теңдеулерді шешуде өте тиімді екені анықталды.
The theory of stationary iterative methods was solidly established with the work of D. M. Young starting in the 1950s. The conjugate gradient method was also invented in the 1950s, with independent developments by Cornelius Lanczos, Magnus Hestenes and Eduard Stiefel, but its nature and applicability were misunderstood at the time. Only in the 1970s was it realized that conjugacy based methods work very well for partial differential equations, especially the elliptic type.