Главная » Просмотр файлов » Higham - Accuracy and Stability of Numerical Algorithms

Higham - Accuracy and Stability of Numerical Algorithms (523152), страница 31

Файл №523152 Higham - Accuracy and Stability of Numerical Algorithms (Higham - Accuracy and Stability of Numerical Algorithms) 31 страницаHigham - Accuracy and Stability of Numerical Algorithms (523152) страница 312013-09-15СтудИзба
Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 31)

(Theoretically it is an exact bound!)The reason is that we cannot compute r orexactly. In place of rwe computeand(7.26)Therefore a strict bound. and one that should be used in practice in place of(7.25), is(7.27)This forward error bound is estimated and returned by LAPACK‘s xyyRFSroutines. For details on how this is done without computing A -1, see Chapter 14.The LAPACK linear equation solvers estimate only one condition number:the standard condition number κ1 (A) (or, rather, its reciprocal, referred to asrcond), which is returned by the xyyCON routines.7.8.

Perturbation Theory by CalculusThe perturbation results in this book are all derived algebraically, without anyuse of derivatives. Calculus can also be used to derive perturbation bounds,often in a straight forward fashion.7.9 N OTESANDR EFERENCES145As a simple example, consider a linear system A(t)z(t) = b(t), whereand x(t), b(t)are assumed to be continuously differentiablefunctions of t. Differentiating givesor, dropping the t arguments,Taking norms, we obtainThis bound shows that κ(A) is a key quantity in measuring the sensitivity ofa linear system. A componentwise bound could have been obtained just aseasily.We normally express perturbations of the data in the formTo use the calculus framework we can take A(0) as the original matrix A andwritebut the perturbation boundthen becomes a first-order one.The calculus technique is a useful addition to the armoury of the erroranalyst (it is used by Golub and Van Loan [470, 1989], for example), but thealgebraic approach is preferable for deriving rigorous perturbation bounds ofthe standard forms.7.9.

Notes and ReferencesThis chapter draws on the survey paper Higham [558, 1994].Theorem 7.3 is due to Oettli and Prager [802, 196 4], and predates thenormwise backward error result Theorem 7.1 of Rigal and Gaches [873, 1967].In addition to Theorem 7.1, Rigal and Gaches give a more general resultbased on norms of blocks that includes Theorems 7.3 and 7.1 as special cases.Theorem 7.1 is also obtained by Kovarik [672, 1976].Theorems 7.1 and 7.3 both remain valid when A is rectangular. Componentwise backward error for rectangular A was considered by Oettli, Prager,and Wilkinson [803, 1965], but their results are subsumed by those of Oettliand Prager [802, 1964] and Rigal and Gaches [873, 1967].For a linear system Ax = b subject to componentwise perturbations, Oettli [801, 1965] shows how linear programming can be used to obtain boundson the components of x when all solutions of the perturbed system lie in thesame orthant.

Cope and Rust [244, 1979] extend this approach by showing, ingeneral, how to bound all the solutions that lie in a given orthant. This type146P ERTURBATIO N T HEORYFORLINEAR S YSTEMSof analysis can also be found in the book by Kuperman [681, 1971], whichincludes an independent derivation of Theorem 7.3. See also Hartfiel [505,1 9 8 0 ].Theorem 7.4 is a straightforward generalization of a result of Skeel [919,1979 , Thms. 2.1 and 2.2].

It is clear from Bauer’s comments in [80, 19 66]that the bound (7.9), with E = |A| and f = |b|, was known to him, thoughhe does not state the bound. This is the earliest reference we know in whichcomponentwise analysis is used to derive forward perturbation bounds.Theorem 7.8 is from Bauer [79, 1963]. Bauer actually states that equalityholds in (7.21) for any A, but his proof of equality is valid only when |A - 1||A|and |A||A- 1| have positive Perron vectors. Businger [168, 1968] proves thata sufficient condition for the irreducibility condition of Theorem 7.8 to hold(which, of course, implies the positivity of the Perron vectors) is that there donot exist permutations P and Q such that PAQ is in block triangular form.Theorem 7.7 is from Stewart and Sun [954, 1990, Thm.

4.3.5].Further results on scaling to minimize the condition number κ(A) are givenby Forsythe and Straus [386, 1955], Bauer [81, 1969], Golub and Varah [465,1974], McCarthy and Strang [742, 1974], Shapiro [913, 1982]. [914, 1985], [915,1991], and Watson [1067, 1991].Chan and Foulser [193, 1988] introduce the idea of “effective conditioning”for linear systems, which takes into account the projections of b onto the rangespace of A. See Problem 7.5, and for an application to partial differentialequations see Christiansen and Hansen [208, 1994].For an example of how definitions of numerical stability for linear equation solvers can be extended to incorporate structure in the problem, seeBunch [162, 1987].An interesting application of linear system perturbation analysis is toMarkov chains. A discrete-time Markov chain can be represented by a squarematrix P, where pij is the probability of a transition from state i to state j .Since state i must lead to some other state.and these conditionscan be writ ten in matrix vector form asPe = e.(7.28)A nonnegative matrix satisfying (7.28) is called a stochastic matrix.

Theinitial state of the Markov chain can be defined by a vector zT , where zi ,denotes the probability that the ith state of the chain is occupied. Then thestate of the chain at the next time unit is given by zTP. The steady state orstationary vector of the chain is given byAn important question is the sensitivity of the individual components of thesteady-state vector to perturbations in P. This is investigated, for example.147PROBLEMSby Ipsen and Meyer [605, 1994], who measure the perturbation matrix normwise, and by O’Cinneide [800, 1993], who measures the perturbation matrixcomponentwise.

For a matrix-oriented development of Markov chain theorysee Berman and Plemmons [94, 1994].It is possible to develop probabilistic perturbation theory for linear systemsand other problems by making assumptions about the statistical distributionof the perturbations. We do not consider this approach here (though see Problem 7.13), but refer the interested reader to the papers by Fletcher [376, 1985],Stewart [948, 1990], and Weiss, Wasilkowski, Wozniakowski, and Shub [1073,19 86].Problems7.1. Under the conditions of Theorem 7.4, show thatHence derive a first-order bound for |xi - yi |/|xi |.7.2.

Let Ax = b, whereShow that for any vector y and anysubordinate matrix norm,where the residual r = b - Ay. Interpret this result.7.3. Prove (7.13) and deduce (7.12).7.4. Letwhere D =cond(H) <be symmetric positive definite and let A = DHD,(this is the scaling used in Corollary 7.6). Show that< n cond(H).7.5.

(Chan and Foulser [193, 1988]) Lethave the SVD A =and define the projection matrix Pk :=wherewhere Uk = U(:,n + 1 - k:n). Show that if Ax = b and A(x + ∆x) =(b + ∆b) thenWhat is the interpretation of this result?7.6. (a) For the choice of tolerances E = |A|eeT, f = |b|, corresponding to arow-wise backward error, show thatP ERTURBATION T HEORY148(b) For E = eeT|A| and f =ward error, show thatFORLINEAR S YSTEMScorresponding to a columnwise back-7.7. Show that7.8. Letbe nonsingular. A componentwise condition number forthe problem of computing cTx, where Ax = b, can be defined byObtain an explicit formula for x E,f (A , x). Show that xE,f(A, x) > 1 ifE = |A| or f = |b|.

Derive the corresponding normwise condition numberin which the constraints are ||∆A||2 <and ||∆b|| 2 <7.9. (Bauer [79, 1963]) Let A, B, Cpositive elements then(a) Prove that if B and C havewhere= {diag(d i ) : di > 0, i = 1:n}. (Hint: consider D 1 = diag(x1 ) - 1and D 2 = diag(Cx1), where x1 > 0 is a right Perron vector of BC: BCx1 =p (B C) x1 . )(b) Deduce that if |A| and |A - 1 | have positive entries, then(c) Show that for any nonsingular A,(d) Strengthen (b) by showing that for any nonsingular A such that|A||A- 1 | and |A- 1 ||A|| are irreducible,PROBLEMS(e) What can you deduce about2-norms?149for the 1- and7.10.

(Bauer [80, 1966, p. 413], Rohn [876, 1989]) We can modify the definition of µE(A) in (7.22) by measuring ∆X componentwise relative to X,giving7.11. Letbe symmetric and let y be an approximate solution toAx = b. If y has a small backward error, so that y solves a nearby system. doesit follow that y solves a nearby symmetric system? This problem answers thequestion for both the normwise and componentwise relative backward errors.(a) (Bunch, Demmel, and Van Loan [163, 1989]) Show that if (A+G)y = bthen there exists H = HT such that (A + H)y = b with ||H|| 2 < ||G||2 and||H|| F <(This result does not require A = AT.)(b) (Smoktunowicz [930, 1995]) Show that if A is symmetric and diagonallythen there exists H = HT suchdominant and (A + G)y = b with |G| <that (A + H)y = b with |H| <(For a general symmetric A there maynot exist such an H, as is easily shown by a 2 × 2 example [527, 1992].)(c) (Smoktunowicz [930, 1995]) Show that if A is symmetric positive definite and (A + G)y = b with |G| <then there exists H = H T such that(A + H)y = b with |H| <7.12.

Характеристики

Тип файла
PDF-файл
Размер
6,84 Mb
Тип материала
Учебное заведение
Неизвестно

Список файлов книги

Свежие статьи
Популярно сейчас
Как Вы думаете, сколько людей до Вас делали точно такое же задание? 99% студентов выполняют точно такие же задания, как и их предшественники год назад. Найдите нужный учебный материал на СтудИзбе!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
6363
Авторов
на СтудИзбе
310
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее