Question

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Solution (incomplete)

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涉及数学概念解释

本题虽短,却串起了数值线性代数中一条完整的脉络:从矩阵的结构性质(反对称性)出发,经过 Krylov 子空间方法(Arnoldi 过程)的代数结构(Hessenberg / 三对角),最终落到迭代求解器(CG)的几何性质(残差正交)。下面逐个澄清其中的概念。

反对称矩阵

实矩阵 B 称为反对称(skew-symmetric)的,若 BT=−B 。它有几条直接而重要的推论:

  • 对角元全为零(因为 Bii=−Bii )。
  • 全体特征值要么为 0 ,要么是纯虚数,并以共轭对的形式出现。
  • 对任意实向量 x ,二次型恒为零。

最后一条是本题(a)的核心,单独强调一下:

关键事实:反对称矩阵的二次型为零
⟨Bx,x⟩=0∀x∈Rn.

证明只需用实内积的对称性 ⟨Bx,x⟩=⟨x,BTx⟩ ,再代入 BT=−B 得 ⟨Bx,x⟩=−⟨x,Bx⟩=−⟨Bx,x⟩ ,故其值为零。

实内积的对称性

在实向量空间中,标准内积满足 ⟨u,v⟩=⟨v,u⟩ ,并且对线性算子有伴随关系 ⟨Mu,v⟩=⟨u,MTv⟩ 。本题的所有推导(包括 (a) 中 ⟨Ax,x⟩=⟨x,x⟩ 的证明)都反复用到这条性质,把 A=I+αB 里反对称部分 αB 的贡献「抵消」掉,只留下单位阵 I 的贡献。

数值域与 Rayleigh 商

表达式

⟨Ax,x⟩⟨x,x⟩

称为 A 在 x 处的 Rayleigh 商;当 x 取遍所有非零向量时,它的取值集合就是 A 的数值域(field of values)。本题(a)证明了对 A=I+αB 而言这个商恒等于 1 ,意味着 A 的数值域退化为单点 {1} ——这正是「 A 的对称部分等于 I 」的另一种说法,也是后续 CG 能良好定义的根本原因。

Krylov 子空间与 Arnoldi 过程

给定矩阵 A 、起始向量 q1 ,第 m 阶 Krylov 子空间为

Km(A,q1)=span{q1,Aq1,A2q1,…,Am−1q1}.

Arnoldi 过程就是对这组天然病态的基做 Gram–Schmidt 正交化,逐步生成一组标准正交基 q1,q2,… ,其递推关系即解答中的式 (1):

Aqj=∑k=1j+1hkjqk,hkj=⟨Aqj,qk⟩.
为什么求和只到

Aqj 至多落在 Kj+1 中,而 {q1,…,qj+1} 是它的标准正交基,所以展开式自然在 k=j+1 处截断。这一「上界为 j+1 」的事实,正是下面 Hessenberg 结构的来源。

上 Hessenberg 矩阵

把系数 hkj 排成矩阵 Hm=(hkj) ,由于当 k>j+1 时 hkj=0 , Hm 在次对角线以下全为零——这种「几乎上三角、只多一条次对角线」的矩阵称为上 Hessenberg 矩阵。Arnoldi 过程的代数本质就是把 A 在 Krylov 基下约化为 Hessenberg 形: QmTAQm=Hm 。

三对角化与 Lanczos 算法

本题(b)的关键在于:当 A 的对称部分平凡时,Hessenberg 矩阵会进一步退化成三对角形式。对一般对称矩阵,Arnoldi 退化为 Lanczos 算法,得到对称三对角阵;而这里 A=I+αB 非对称,却凭借 B 的反对称性得到形如

Hm=(1−η2η21−η3⋱⋱⋱ηm−11−ηmηm1)

的三对角(且反对称偏移)结构。其证明的核心是三个内积分别讨论:

  • 对角元 ⟨Aqk,qk⟩=1 (由 (a) 直接给出);
  • 上、下次对角元 ⟨Aqk,qk−1⟩=α⟨Bqk,qk−1⟩ 与 ⟨Aqk−1,qk⟩=−α⟨Bqk,qk−1⟩ 大小相等、符号相反;
  • 更远的元素 ⟨Aqk,qj⟩=0 (j<k−1) ,因为 Aqj∈Kj+1⊥qk 。
三对角化省下了什么

三对角结构意味着每一步 Arnoldi 递推只需与前两个基向量正交化(短递推),存储与计算量从 O(m) /步降为 O(1) /步。这正是 Lanczos 类方法相对一般 Arnoldi 的根本优势。

共轭梯度法(CG)与残差正交性:© 的完整证明

共轭梯度法(Conjugate Gradient, CG)通常用于对称正定系统,其残差序列 r0,r1,… 两两正交、搜索方向两两 A -共轭,这正是它在精确算术下至多 n 步收敛的原因。© 要解释的是:对非对称的 A=I+αB ,由 CG 一类方法生成的残差依然两两正交。

要把这件事说严谨,关键是认清「CG 残差正交」的本质是 Galerkin(投影)条件,而不是某一组特定的迭代系数。下面给出完整证明,并指明 (b) 的三对角结构究竟在哪里起作用。

投影框架:残差就是 Arnoldi 向量

设初始残差 r0=b−Ax0 , q1=r0/‖r0‖ ,对 A 运行 Arnoldi 过程得到标准正交基 Qk=[q1,…,qk] 与 Hessenberg 阵 Hk ,满足矩阵形式的递推关系

AQk=QkHk+hk+1,kqk+1ekT.

Galerkin / 全正交化(FOM)方法在仿射空间里取迭代解 xk=x0+Qkyk∈x0+Kk(A,r0) ,并要求残差与整个 Krylov 子空间正交: QkTrk=0 。把 xk 代入残差定义:

rk=b−Axk=r0−AQkyk=‖r0‖q1−QkHkyk−hk+1,k(ekTyk)qk+1=Qk(‖r0‖e1−Hkyk)−hk+1,k(ekTyk)qk+1.

左乘 QkT 并利用 QkTQk=I 、 QkTqk+1=0 ,Galerkin 条件 QkTrk=0 等价于

Hkyk=‖r0‖e1.

只要 Hk 可逆, yk 唯一确定,代回上式第一项消失,于是

残差是某个 Arnoldi 向量的标量倍
rk=−hk+1,k(ekTyk)qk+1=γkqk+1,γk∈R.

由于 {qj} 标准正交,立刻得到对任意 i≠j ,

⟨ri,rj⟩=γiγj⟨qi+1,qj+1⟩=0.

这就证明了残差两两正交。注意这一步只用到 {qj} 的标准正交性,对任意矩阵的 FOM 都成立——它是投影方法的普遍性质。

(b) 在哪里起作用:把长递推压缩成 CG 的短递推

上面的论证对一般非对称 A 都给出正交残差,但代价是每一步要对全部已有基向量做正交化(长递推),这就是 GMRES/FOM 的形态,而非 CG。(b) 的三对角结构正是把它变回 CG 的关键:

  • Hk 三对角 ⇒ 求解 Hkyk=‖r0‖e1 与更新 xk,rk 都可由相邻两三步的耦合短递推完成,无需保存全部 qj 。这正是共轭梯度法「残差更新 + 共轭方向更新」两条短递推的来源。
  • 换言之,对称矩阵的 Lanczos 把 Arnoldi 压成对称三对角、从而得到经典 CG;而这里 A=I+αB 虽不对称,(b) 证明它的 Arnoldi 约化同样是三对角(且 Hk−I 反对称),于是同一套短递推、同样的残差正交性得以保留。

一个赠送的严谨细节:FOM 永不中断

上述推导要求每一步 Hk 可逆。由 (b), Hk 的对角元全为 1 、次对角与上次对角互为相反数,故 Hk=Ik+Sk ,其中 Sk 是实反对称三对角阵。反对称阵特征值为纯虚数,所以 Hk 的特征值形如 1+iμ (μ∈R) ,恒不为零, Hk 始终可逆。因此该投影方法在每一步都良定义、不会因 Hk 奇异而中断——这与 (a) 中「数值域退化为单点 {1} 」是同一件事的不同侧影。

一句话总结

残差正交 = Galerkin 投影条件 ⇒rk∥qk+1 (标准正交);而 (b) 的三对角性把全正交化压缩为 CG 的短递推,(b) 的反对称偏移又保证 Hk 处处可逆、迭代不中断。三者合起来,才使「形如 CG 的方法用于非对称的 A=I+αB 仍产出正交残差」成为严谨结论。

一点诚实的提醒

这里的「CG」指的是由 Arnoldi/Lanczos 三项递推导出的 Galerkin(FOM 型)共轭梯度法,其残差正交性来自投影条件。若把对称正定情形的系数公式 αk=⟨rk,rk⟩/⟨pk,Apk⟩ 原封不动地搬到非对称的 A 上,数值实验表明残差未必正交(甚至可能发散)。换言之,使「残差正交」成立的,是 (b) 所保证的三对角投影结构,而非某条特定的标量更新公式。