lanczos算法

Lanczos算法是一种将对称矩阵通过正交相似变换变成对称三对角矩阵的算法,以20世纪匈牙利数学家Cornelius Lanczos命名。

注意:Lanczos算法只能对“对称矩阵”进行转换。

Lanczos算法是一种将对称矩阵通过正交相似变换变成对称 三对角矩阵的算法。

对称三对角矩阵类似于下式:

lanczos算法的主要功能就是对矩阵进行转换,将原有的对称矩阵转变为与正交矩阵相乘的“三对角矩阵”,然后再对这个“三对角矩阵”进行处理,比如进行奇异值分解,最后我们可以通过这种转换得到一个近似等价的矩阵,而这个过程计算速度快,最后获得的这个近似的等价矩阵可以代替原矩阵进行一定的操作,以此来达到加速计算获得近似计算的目的。

给出lanczos算法的实现代码:

import numpy as np
# from rllab.misc.ext import sliced_fun EPS = np.finfo('float64').tiny def cg(f_Ax, b, cg_iters=10, callback=None, verbose=False, residual_tol=1e-10):
"""
Demmel p 312
"""
p = b.copy()
r = b.copy()
x = np.zeros_like(b)
rdotr = r.dot(r) fmtstr = "%10i %10.3g %10.3g"
titlestr = "%10s %10s %10s"
if verbose: print(titlestr % ("iter", "residual norm", "soln norm")) for i in range(cg_iters):
if callback is not None:
callback(x)
if verbose: print(fmtstr % (i, rdotr, np.linalg.norm(x)))
z = f_Ax(p)
v = rdotr / p.dot(z)
x += v * p
r -= v * z
newrdotr = r.dot(r)
mu = newrdotr / rdotr
p = r + mu * p rdotr = newrdotr
if rdotr < residual_tol:
break if callback is not None:
callback(x)
if verbose: print(fmtstr % (i + 1, rdotr, np.linalg.norm(x))) # pylint: disable=W0631
return x def preconditioned_cg(f_Ax, f_Minvx, b, cg_iters=10, callback=None, verbose=False, residual_tol=1e-10):
"""
Demmel p 318
"""
x = np.zeros_like(b)
r = b.copy()
p = f_Minvx(b)
y = p
ydotr = y.dot(r) fmtstr = "%10i %10.3g %10.3g"
titlestr = "%10s %10s %10s"
if verbose: print(titlestr % ("iter", "residual norm", "soln norm")) for i in range(cg_iters):
if callback is not None:
callback(x, f_Ax)
if verbose: print(fmtstr % (i, ydotr, np.linalg.norm(x)))
z = f_Ax(p)
v = ydotr / p.dot(z)
x += v * p
r -= v * z
y = f_Minvx(r)
newydotr = y.dot(r)
mu = newydotr / ydotr
p = y + mu * p ydotr = newydotr if ydotr < residual_tol:
break if verbose: print(fmtstr % (cg_iters, ydotr, np.linalg.norm(x))) return x def test_cg():
A = np.random.randn(5, 5)
A = A.T.dot(A)
b = np.random.randn(5)
x = cg(lambda x: A.dot(x), b, cg_iters=5, verbose=True) # pylint: disable=W0108
assert np.allclose(A.dot(x), b) x = preconditioned_cg(lambda x: A.dot(x), lambda x: np.linalg.solve(A, x), b, cg_iters=5,
verbose=True) # pylint: disable=W0108
assert np.allclose(A.dot(x), b) x = preconditioned_cg(lambda x: A.dot(x), lambda x: x / np.diag(A), b, cg_iters=5,
verbose=True) # pylint: disable=W0108
assert np.allclose(A.dot(x), b) def lanczos(f_Ax, b, k):
"""
Runs Lanczos algorithm to generate a orthogonal basis for the Krylov subspace
b, Ab, A^2b, ...
as well as the upper hessenberg matrix T = Q^T A Q from Demmel ch 6
""" assert k > 1 alphas = []
betas = []
qs = [] q = b / np.linalg.norm(b)
beta = 0
qm = np.zeros_like(b)
for j in range(k):
qs.append(q) z = f_Ax(q) alpha = q.dot(z)
alphas.append(alpha)
z -= alpha * q + beta * qm beta = np.linalg.norm(z)
betas.append(beta) print("beta", beta)
if beta < 1e-9:
print("lanczos: early after %i/%i dimensions" % (j + 1, k))
break
else:
qm = q
q = z / beta return np.array(qs, 'float64').T, np.array(alphas, 'float64'), np.array(betas[:-1], 'float64') def lanczos2(f_Ax, b, k, residual_thresh=1e-9):
"""
Runs Lanczos algorithm to generate a orthogonal basis for the Krylov subspace
b, Ab, A^2b, ...
as well as the upper hessenberg matrix T = Q^T A Q
from Demmel ch 6
"""
b = b.astype('float64')
assert k > 1
H = np.zeros((k, k))
qs = [] q = b / np.linalg.norm(b)
beta = 0 for j in range(k):
qs.append(q) z = f_Ax(q.astype('float64')).astype('float64')
for (i, q) in enumerate(qs):
H[j, i] = H[i, j] = h = q.dot(z)
z -= h * q beta = np.linalg.norm(z)
if beta < residual_thresh:
print("lanczos2: stopping early after %i/%i dimensions residual %f < %f" % (j + 1, k, beta, residual_thresh))
break
else:
q = z / beta return np.array(qs).T, H[:len(qs), :len(qs)] def make_tridiagonal(alphas, betas):
assert len(alphas) == len(betas) + 1
N = alphas.size
out = np.zeros((N, N), 'float64')
out.flat[0:N ** 2:N + 1] = alphas
out.flat[1:N ** 2 - N:N + 1] = betas
out.flat[N:N ** 2 - 1:N + 1] = betas
return out def tridiagonal_eigenvalues(alphas, betas):
T = make_tridiagonal(alphas, betas)
return np.linalg.eigvalsh(T) def test_lanczos():
np.set_printoptions(precision=4) A = np.random.randn(5, 5)
A = A.T.dot(A)
b = np.random.randn(5)
f_Ax = lambda x: A.dot(x) # pylint: disable=W0108
Q, alphas, betas = lanczos(f_Ax, b, 10)
H = make_tridiagonal(alphas, betas)
assert np.allclose(Q.T.dot(A).dot(Q), H)
assert np.allclose(Q.dot(H).dot(Q.T), A)
assert np.allclose(np.linalg.eigvalsh(H), np.linalg.eigvalsh(A)) Q, H1 = lanczos2(f_Ax, b, 10)
assert np.allclose(H, H1, atol=1e-6) print("ritz eigvals:")
for i in range(1, 6):
Qi = Q[:, :i]
Hi = Qi.T.dot(A).dot(Qi)
print(np.linalg.eigvalsh(Hi)[::-1])
print("true eigvals:")
print(np.linalg.eigvalsh(A)[::-1]) print("lanczos on ill-conditioned problem")
A = np.diag(10 ** np.arange(5))
Q, H1 = lanczos2(f_Ax, b, 10)
print(np.linalg.eigvalsh(H1)) print("lanczos on ill-conditioned problem with noise") def f_Ax_noisy(x):
return A.dot(x) + np.random.randn(x.size) * 1e-3 Q, H1 = lanczos2(f_Ax_noisy, b, 10)
print(np.linalg.eigvalsh(H1)) if __name__ == "__main__":
test_lanczos()
test_cg()

注意:上面代码中lanczos函数和lanczos2函数都是求解的lanczos算法,不同的是求解出的结果的形式,lanczos函数是求解出“三对角矩阵”的两个对角线上的向量,lanczos2函数是直接得到“三对角矩阵”。

参考:

lanczos算法——求解线性方程组时的辅助算法的更多相关文章

  1. [Matlab]求解线性方程组

    转自:http://silencethinking.blog.163.com/blog/static/911490562008928105813169/ AX=B或XA=B在MATLAB中,求解线性方 ...

  2. 跳跃的舞者,舞蹈链(Dancing Links)算法——求解精确覆盖问题

    精确覆盖问题的定义:给定一个由0-1组成的矩阵,是否能找到一个行的集合,使得集合中每一列都恰好包含一个1 例如:如下的矩阵 就包含了这样一个集合(第1.4.5行) 如何利用给定的矩阵求出相应的行的集合 ...

  3. 转载 - 跳跃的舞者,舞蹈链(Dancing Links)算法——求解精确覆盖问题

    出处:http://www.cnblogs.com/grenet/p/3145800.html 精确覆盖问题的定义:给定一个由0-1组成的矩阵,是否能找到一个行的集合,使得集合中每一列都恰好包含一个1 ...

  4. Bellman-Ford & SPFA 算法——求解单源点最短路径问题

    Bellman-Ford算法与另一个非常著名的Dijkstra算法一样,用于求解单源点最短路径问题.Bellman-ford算法除了可求解边权均非负的问题外,还可以解决存在负权边的问题(意义是什么,好 ...

  5. 基于粒子群算法求解求解TSP问题(JAVA)

    一.TSP问题 TSP问题(Travelling Salesman Problem)即旅行商问题,又译为旅行推销员问题.货郎担问题,是数学领域中著名问题之一.假设有一个旅行商人要拜访n个城市,他必须选 ...

  6. 文本主题模型之LDA(三) LDA求解之变分推断EM算法

    文本主题模型之LDA(一) LDA基础 文本主题模型之LDA(二) LDA求解之Gibbs采样算法 文本主题模型之LDA(三) LDA求解之变分推断EM算法 本文是LDA主题模型的第三篇,读这一篇之前 ...

  7. 隐马尔科夫模型HMM(三)鲍姆-韦尔奇算法求解HMM参数

    隐马尔科夫模型HMM(一)HMM模型 隐马尔科夫模型HMM(二)前向后向算法评估观察序列概率 隐马尔科夫模型HMM(三)鲍姆-韦尔奇算法求解HMM参数(TODO) 隐马尔科夫模型HMM(四)维特比算法 ...

  8. EM 算法求解高斯混合模型python实现

    注:本文是对<统计学习方法>EM算法的一个简单总结. 1. 什么是EM算法? 引用书上的话: 概率模型有时既含有观测变量,又含有隐变量或者潜在变量.如果概率模型的变量都是观测变量,可以直接 ...

  9. 算法实践——舞蹈链(Dancing Links)算法求解数独

    在“跳跃的舞者,舞蹈链(Dancing Links)算法——求解精确覆盖问题”一文中介绍了舞蹈链(Dancing Links)算法求解精确覆盖问题. 本文介绍该算法的实际运用,利用舞蹈链(Dancin ...

  10. 鲍姆-韦尔奇算法求解HMM参数

    1. HMM模型参数求解概述 HMM模型参数求解根据已知的条件可以分为两种情况. 第一种情况较为简单,就是我们已知DD个长度为TT的观测序列和对应的隐藏状态序列,即{(O1,I1),(O2,I2),. ...

随机推荐

  1. Lucene demo演示搜索查询歌手,歌名,歌词

    1.导入pom jar文件 <dependency> <groupId>org.apache.lucene</groupId> <artifactId> ...

  2. Python 潮流周刊#56:NumPy 2.0 里更快速的字符串函数(摘要)

    本周刊由 Python猫 出品,精心筛选国内外的 250+ 信息源,为你挑选最值得分享的文章.教程.开源项目.软件工具.播客和视频.热门话题等内容.愿景:帮助所有读者精进 Python 技术,并增长职 ...

  3. 用 Visual C++ 2022 和 CMake 编译 CUnit 静态库

    准备工作 源代码获取 CUnit 是知名的 C 语言单元测框架,其源代码最初发布在 sourceforge 上,网址为:https://sourceforge.net/projects/cunit/ ...

  4. Js 实现导航li列表,选中时,显示选中样式

    结合Django项目实现 实现步骤: html页面部分,使用bootstrap.css中的样式(不用可忽略,主要class样式),要引用bootstrap.css,使用到actvie样式: <l ...

  5. Bike Sharing Analysis(一)- 探索数据

    1. Bike Sharing Analysis 在这章主要介绍如何分析共享单车服务数据,以及如何基于时间.天气状态特征来识别单车的使用模式.除此之外,我们还会引入可视化分析,假设检验.以及时间序列分 ...

  6. 基于OMAPL138+FPGA核心板——MCSDK开发入门(下)

    本文测试板卡为创龙科技 SOM-TL138F 是一款基于 TI OMAP-L138(定点/浮点 DSP C674x + ARM9)+ 紫光同创 Logos/Xilinx Spartan-6 低功耗 F ...

  7. vba--数组

    Sub shishi() Range("e2") = Split(Range("e1"), "-")(0) '用短横线分隔后取第1个值 En ...

  8. .Net Core 访问 appsettings.json

    1.添加 NuGet 包 Microsoft.Extensions.Configuration 2.通过注入获取 Configuration 注意:注入获取的必须提前在 StartUp 里面提前注册 ...

  9. bing生成的汉服美女。。

  10. PHP易混淆函数的区别及用法汇总(函数和方法的区别)

    1.echo和print的区别PHP中echo和print的功能基本相同(输出),但是两者之间还是有细微差别的.echo输出后没有返回值,但print有返回值,当其执行失败时返回flase.因此可以作 ...