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数学知识体系

Observatory Archive of Mathematics
⌕2026/8/31
概念

迭代法

Jacobi 与 Gauss-Seidel 迭代简单但收敛慢,共轭梯度法利用 Krylov 子空间在对称正定情形下快速收敛,适合稀疏大系统。

所属主题:计算数学 ↗
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当前概念

迭代法计算数学

01定义

迭代法不求一步到位,而是从初始猜测出发逐步逼近解:定常迭代(Jacobi、Gauss-Seidel)简单但慢,Krylov 子空间方法(共轭梯度、GMRES)把解表示为 AA 的多项式作用,在对称正定情形收敛飞快——稀疏大系统的主力。
x*:Ax=b 的解 x₀(初始猜测) CG:能量范数的最速收敛 x_k ∈ x₀ + span{r₀, Ar₀, …, A^{k−1}r₀}(Krylov 子空间) CG 至多 n 步精确;预处理后常几十步收敛
共轭梯度:在能量椭球上跳跃逼近解

02核心要点

01

定常迭代

分裂 A=M−NA=M-N,迭代 Mx(k+1)=Nx(k)+bMx^{(k+1)}=Nx^{(k)}+b:Jacobi(MM 取对角)、Gauss-Seidel(取下三角)——收敛取决于谱半径 ρ(M−1N)<1\rho(M^{-1}N)<1,对角占优矩阵适用。

02

Krylov 方法

共轭梯度(SPD):每步沿共轭方向精确线搜索,误差按特征值分布的最优多项式衰减;GMRES/BiCGStab 处理非对称;收敛速度由特征值分布(聚集程度)决定。

03

预处理

迭代收敛慢的根源是条件数:预处理子 M≈AM\approx A(不完全分解、多重网格)把 M−1AM^{-1}A 的条件数压低——「好预处理」是迭代法实用化的关键工程。

03关键公式

xk+1=xk+αkpk,αk=rkTrkpkTApk (CG)x_{k+1}=x_k+\alpha_k p_k,\quad \alpha_k=\frac{r_k^Tr_k}{p_k^TAp_k}\ (\text{CG})

04历史沿革

Hestenes 与 Stiefel 1952 年发明共轭梯度法,尘封二十年后随稀疏大系统需求复兴;Saad 与 Schultz 1986 年提出 GMRES;预处理理论使迭代法成为现代科学计算标准件。

05应用与延伸

CFD 流体仿真、气象同化的百万自由度系统、PageRank 的幂迭代、机器学习中海森向量积驱动的优化。

06交互演示

牛顿法:x ← x − f(x)/f′(x)逐步迭代:切线与 x 轴交点快速逼近 √2

07相关概念