Кіріспе
Сандық шешім үшін теңдеулерді түрлендіреді Математикада алдын ала шарттау - берілген мәселені сандық шешу әдістеріне қолайлы нысанға шарттайтын алдын ала шарттағыш деп аталатын түрлендіруді қолдану. Алдын ала шарттау әдетте мәселенің шартты санын азайтуға байланысты. Алдын ала шартталған мәселе әдетте итерациялық әдіспен шешіледі.
In mathematics, preconditioning is the application of a transformation, called the preconditioner, that conditions a given problem into a form that is more suitable for numerical solving methods. Preconditioning is typically related to reducing a condition number of the problem. The preconditioned problem is then usually solved by an iterative method.
Сызықтық жүйелерді алдын ала баптау
Сызықтық алгебра мен сандық талдауда матрицаның алдын ала шарттауышы - жағдай санынан кіші матрица. Сондай-ақ , , емес, алдын ала шарттауышы деп атау кең таралған, өйткені ол өте сирек кездеседі. Қазіргі заманғы алдын ала шарттауда , яғни баған векторының немесе баған векторларының блогының көбейтуі , әдетте матрицасыз түрде орындалады, яғни , не (әдетте тіпті) матрицалық түрде нақты қол жетімді емес. Алдын ала шарттауыштар сызықтық жүйені шешу үшін итеративтік әдістерде пайдалы, өйткені итеративтік сызықтық шешушілердің көпшілігі үшін конвергенция жылдамдығы өседі, өйткені матрицаның шартты саны алдын ала шартталу нәтижесінде төмендейді. Алдын ала шартталған итеративтік шешушілер әдетте тікелей шешушілерден, мысалы, Гаусс жоюынан, үлкен, әсіресе шашыраңқы матрицалар үшін жақсырақ орындайды. Итеративті шешушілерді матрицасыз әдістер ретінде қолдануға болады, яғни егер коэффициент матрицасы нақты сақталмаса, бірақ матрицалық векторлық өнімдерді бағалау арқылы қол жетімді болса, жалғыз таңдау болады.
Геометриялық түсіндіру
Симметриялық оң анық матрица үшін алдын ала шарттауыш әдетте симметриялық оң анық болу үшін таңдалады. Алдын ала шартталған оператор да симметриялық оң анық, бірақ негізделген скалярлық көбейтіндіге қатысты. Бұл жағдайда алдын ала шарттауышты қолданудың мақсатты әсері - алдын ала шартталған оператордың квадраттық пішінін негізделген скалярлық көбейтіндіге қатысты шар тәрізді етіп жасау.
Өзгермелі және сызықтық емес алдын ала баптау
, дегенді білдіре отырып, алдын ала шартталудың іс жүзінде кейбір векторды , яғни көбейтіндісін есептеу ретінде жүзеге асырылатынын атап өтейік Көптеген қолданбаларда матрица ретінде емес, векторға әрекет ететін оператор ретінде беріледі. Алайда, кейбір танымал алдын ала шартталушылар өзгеріп, тәуелділігі сызықтық болмауы мүмкін. Типтік мысалдар алдын ала шарттауыш құрылымының бөлігі ретінде сызықтық емес итерациялық әдістерді, мысалы, конъюгациялық градиент әдісін пайдалануды қамтиды. Мұндай алдын ала шарттауыштар іс жүзінде өте тиімді болуы мүмкін, алайда олардың мінез-құлқын теориялық тұрғыдан болжау қиын.
Кездейсоқ алдын ала баптау
Өзгермелі алдын ала шартталудың бір қызықты ерекше жағдайы кездейсоқ алдын ала шартталу, мысалы, кездейсоқ ірі торлардағы көп торлы алдын ала шартталу. Егер градиенттік түсу әдістерінде қолданылса, кездейсоқ алдын ала шарттаманы стохастикалық градиенттік түсудің жүзеге асырылуы ретінде қарастыруға болады және ол тұрақты алдын ала шарттауға қарағанда жылдам конвергенцияға әкелуі мүмкін, өйткені ол градиенттік түсудің асимптотикалық "зиг-заг" үлгісін бұзады.
Спектрлік эквивалентті алдын ала баптау
Алдын ала шартталудың ең көп таралған түрі - жартылай дифференциалдық теңдеулердің шамалауынан туындайтын сызықтық жүйелердің итеративтік шешімдері. Ақырғылау сапасы неғұрлым жақсы болса, матрица мөлшері соғұрлым үлкен болады. Мұндай жағдайда оптималдық алдын ала шартталудың мақсаты, бір жағынан, матрицаның өлшеміне тәуелсіз тұрақтыдан жоғарыдан шектелген спектрлік жағдай санын жасау, бұл Дьяконовтың спектральдық эквивалентті алдын ала шартталуы деп аталады. Екінші жағынан, матрицаның қолданылу құны вектормен көбейту құнына пропорционал (матрицаның мөлшеріне тәуелсіз) болуы керек.
Жакоби (немесе диагональды) алдын ала баптаушы
Якоби алдын ала шарттауышы - алдын ала шарттауыштың ең қарапайым түрлерінің бірі, онда алдын ала шарттауыш матрицаның диагоналы болып таңдалады. Про)
Испания
Sparse Approximate Inverse алдын ала шарттауышы Frobenius нормасының қайда екенін азайтады және ол кейбір қолайлы шектелген тар матрицалар жиынтығынан тұрады. Фробен нормасы бойынша, бұл көптеген тәуелсіз ең кіші квадраттар проблемаларын шешуге дейін азайтылады (әр баған үшін бір). Кірістер кейбір аздық үлгісіне ғана шектелуі керек, әйтпесе мәселе дәл керісінше табу сияқты қиын және көп уақытты қажет етеді. Әдісті М. Дж. Гроте мен Т. Гаккл аздық үлгілерін таңдау әдісімен бірге енгізді.
Өзіндік мәндер проблемаларының алғы шарты
Өзіндік құн проблемаларын бірнеше баламалы жолдармен құрастыруға болады, олардың әрқайсысы өзінің алдын ала шартталуына әкеледі. Дәстүрлі алдын ала баптау спектрлік түрлендіру деп аталатындарға негізделген. Мақсатты өзіндік құнды (шамамен) білген адам, тиісті өзіндік векторды, байланысты біртекті сызықтық жүйені шешу арқылы, сызықтық жүйе үшін алдын ала шарттауға мүмкіндік береді. Ақырында, өзіндік құн мәселесін Рейлиг коэффициентінің оңтайландыруы ретінде қалыптастыру сахнаға алдын ала шартты оңтайландыру әдістерін әкеледі.
Спектрлік түрлендірулер
Сызықтық жүйелерге ұқсастығы бойынша, өзіндік мәндер мәселесі үшін матрицаны алдын ала шартты пайдалану арқылы матрицамен ауыстыруға азғырылуы мүмкін. Алайда, бұл тек егер іздеуші мен меннің өзіндік векторлары бірдей болса ғана мағыналы. Бұл спектрлік түрлендірулер үшін. Ең танымал спектральдық түрлендіру - ауысу және инверттеу түрлендіруі, онда берілген скаляр үшін бастапқы өзіндік мән проблемасы ауысу және инверттеу проблемасымен ауыстырылады. Өздік векторлар сақталады, ал ауысу және инверттеу проблемасын итерациялық шешушімен, мысалы, қуат итерациясы арқылы шешуге болады. Бұл кері итерацияны береді, ол әдетте өз векторына түседі, ауытқуға жақын өз мәніне сәйкес келеді. Рейлидің үлесті итерациясы - ауытқу және инверт әдісі, ауытқу өзгермелі. Спектрлік түрлендірулер өзіндік мәндер проблемаларына тән және сызықтық жүйелер үшін аналогтары жоқ. Олар қажетті түрлендірудің нақты сандық есептеуін талап етеді, бұл үлкен проблемалар үшін басты бөтелкеге айналады.
Жалпы алдын ала баптау
Сызықтық жүйелерге тығыз байланыс орнату үшін мақсатты өзіндік құндылық белгілі (шамамен) деп алайық. Содан кейін біртекті сызықтық жүйеден тиісті өздік векторды есептеуге болады Сызықтық жүйелер үшін сол жақ алдын ала шартталу тұжырымдамасын қолдана отырып, біз , қайда алдын ала шартталушы, оны Ричардсон итерациясын пайдалану арқылы шешуге тырыса аламыз ==== Идеалдық алдын ала шартталу Бұл жағдайда алдын ала шартталған градиент шоғырындағыдай экстрема нүктесіне жақындауға бағытталған, бұл конвергенцияны жылдамдатады.
====The ideal preconditioning In this case the preconditioned gradient aims closer to the point of the extrema as on the figure, which speeds up the convergence.