Skip to main content

1991 | Buch

Iterative Lösung großer schwachbesetzter Gleichungssysteme

verfasst von: Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Hackbusch

Verlag: Vieweg+Teubner Verlag

Buchreihe : Leitfäden der angewandten Mathematik und Mechanik LAMM

insite
SUCHEN

Über dieses Buch

4 Die aus der Linearen Algebra benötigten Grundlagen sind noch einmal in Kapitel 2 dieses Buches zusammengestellt. Damit soll zum einen eine geschlossene Darstellung ermöglicht werden, zum anderen ist es notwendig, die aus der Linearen Algebra bekannten Sätze in die hier benötigte Formulierung zu bringen. Vom Umfang her eignet sich eine Auswahl des vorliegenden Stoffes fUr eine 4-stündige Vorlesung nach dem Vordiplom. Eine Teilauswahl ist auch für die Vorlesung «Numerische MathematikII» empfehlenswert. Die aufgeführten Übungsaufgaben, die auch als Bemerkungen ohne Beweis verstanden werden können, sind in die Darstellung integriert. Wird dieses Buch als Grundlage einer Vorlesung benutzt, können sie als Übungen dienen. Aber auch der Leser sollte versuchen, sein Verständnis der Lektüre an den Aufgaben zu testen. Die Diskussion der Verfahren ist durch zahlreiche numerische Bei­ spiele zumeist anhand des Poisson-Modellproblems illustriert. Damit der interessierte Leser die Verfahren mit anderen Parametern, Schritt­ weiten etc. testen kann, sind die Verfahren auch explizit als Pascal­ Programme angegeben. Die Sammlung der Quelltexte ist als Diskette erhältlich (siehe [Prog1 im Literaturverzeichnis und Bestellformular auf den Seiten 38112). Diese Programmsammlung könnte auch unabhängig vom Buch zur Unterstützung von Vorlesungen oder Seminaren mit numerischen Beispielen herangezogen werden. Der Autor dankt seinen Mitarbeitern, insbesondere Herrn J. Bur­ meister für Literaturrecherchen und die Unterstützung beim Lesen und Korrigieren des Manuskriptes. Diskussionen mit den Kollegen Niethammer, Maeß, Dry ja, Wittum, u.a. verdanke ich viele Anregungen und Literaturhinweise. Dem Teubner-Verlag gilt der Dank für die stets freundliche Zusammenarbeit.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Einleitung
Zusammenfassung
Iterationsverfahren sind knapp 170 Jahre alt. Das erste Iterationsverfahren für lineare Gleichungssysteme stammt von Carl Friedrich Gauß. Seine Methode der «kleinsten Fehlerquadrate» führte ihn auf Gleichungssysteme, die zu groß waren, als daß er sie mit der direkten Methode der Gauß-Elimination bequem berechnen konnte. Das in seinem “Supplementum theoriae combinationis observationum erroribus minime obnoxiae” (1819-1822) beschriebene Iterationsverfahren bezeichnet man heute als blockweises Gauß-Seidel-Verfahren. Welchen Wert Gauß seinem Iterationsverfahren zumaß, kann man seinem Brief von 1823 entnehmen, der im Auszug dem Vorwort vorangestellt ist.
Wolfgang Hackbusch
2. Grundlagen aus der Linearen Algebra
Zusammenfassung
Gemäß Bemerkung 1.2.1 werden die Indizes der Vektoren zunächst als nicht angeordnet angesehen. Die stets endliche Indexmenge wird mit I bezeichnet.
Wolfgang Hackbusch
3. Allgemeines zu iterativen Verfahren
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden allgemeine Eigenschaften iterativer Verfahren untersucht. Dazu gehört die Konsistenz, die den Zusammenhang zwischen dem Iterationsverfahren und dem vorgelegten Gleichungssystem schafft, sowie die Konvergenz, die den Erfolg der Iteration garantieren soll. Das wesentliches Ergebnis dieses Abschnittes ist die Charakterisierung der Konvergenz linearer Iterationsverfahren durch den Spektralradius der Iterationsmatrix in §3.1.3. Da nur iterative Verfahren für Gleichungssysteme mit regulärer Matrix untersucht werden, wird nicht auf Iterationsverfahren für singuläre Systeme oder Systeme mit Rechtecksmatrizen eingegangen. Hierzu findet man Hinweise bei Maeß [2], Marek [1], Kosmol — Zhou [1].
Wolfgang Hackbusch
4. Jacobi-, Gauß-Seidel- und SOR-Verfahren im positiv definiten Fall
Zusammenfassung
Die Verfahren von Jacobi, Gauß-Seidel und die SOR-Methode hängen eng zusammen und werden deshalb gemeinsam analysiert. Allerdings unterscheidet sich die Analyse bei positiv definiter Matrix A wesentlich von anderen Fällen, die den §§5–6 vorbehalten sind. Daß der positiv definite Fall von praktischem Interesse ist, belegt der Abschnitt 4.1: Die Poisson-Modellmatrix ist positiv definit. Das Kapitel 4.2 ist eine Rekapitulation und Verallgemeinerung der aus §1.4 schon bekannten Algorithmen. §4.3 und §4.6 enthalten einfache Modifikationen dieser Iterationen. Konvergenzresultate qualitativer und quantitativer Art finden sich in §4.4. Abschnitt 4.8 ist den symmetrischen Iterationen, insbesondere dem SSOR-Verfahren gewidmet.
Wolfgang Hackbusch
5. Analyse im 2-zyklischen Fall
Zusammenfassung
Ziel dieses Kapitels sind quantitative Konvergenzaussagen für die klassischen Verfahren (Jacobi-, Gauß-Seidel-, SOR-Iteration).
Wolfgang Hackbusch
6. Analyse für M-Matrizen
Zusammenfassung
Die Positivdefinitheit A > 0 definiert eine partielle Ordnungsrelation auf der Algebra der Hermiteschen Matrizen.
Wolfgang Hackbusch
7. Semiiterative Verfahren
Zusammenfassung
Gegeben sei eine lineare, konsistente, aber nicht notwendigerweise konvergente Iteration Φ (im folgenden auch Basisiteration genannt) mit einer Iterationsmatrix M.
Wolfgang Hackbusch
8. Transformationen, sekundäre Iterationen, unvollständige Dreieckszerlegungen
Zusammenfassung
Um die Vielfalt der heute angewandten iterativen Verfahren beschreiben zu können, braucht man weitere Techniken, die zum Teil aus schon bekannten Verfahren neue produzieren und zum anderen Teil neue Elemente einführen. Zu der ersten Art gehören die Transformationen, die in §§8.1–3 beschrieben werden, und die mit einer sekundären Iteration erzeugten zusammengesetzten Verfahren aus §8.4, während die ILU-Zerlegung aus §8.5 ein neues Verfahren produziert.
Wolfgang Hackbusch
9. Verfahren der konjugierten Gradienten
Zusammenfassung
Im folgenden seien A ∈ ℝ I×I und b ∈ ℝ I reell. Dem Gleichungssystem
$$Ax = b$$
(9.1.1)
wird unter der Voraussetzung
$$Aist\quad positiv\quad definit$$
(9.1.2)
die Funktion
$$F\left( x \right): = \frac{1} {2}\left\langle {Ax,x} \right\rangle - \left\langle {b,x} \right\rangle $$
(9.1.3)
zugeordnet.
Wolfgang Hackbusch
10. Mehrgitteriterationen
Zusammenfassung
Mehrgitterverfahren gehören zu den schnellsten Iterationen, da ihre Konvergenzrate von der Schrittweite h unabhängig ist. Zudem benötigt man keine einschränkenden Symmetrie- bzw. Positivitätsbedingungen wie für die cg-Verfahren.
Wolfgang Hackbusch
11. Gebietszerlegungsmethoden
Zusammenfassung
Verschiedene iterative Methoden lassen sich zusammenfassen zu der Klasse der Gebietszerlegungsmethoden (engl.: domain decomposition methods). Obwohl ein Prototyp dieser Iteration von H. S. Schwarz (Viertelsjahresschrift der Naturforschenden Gesselschaft in Zürich, Bd. 15, 1870) schon 120 Jahre alt ist, erlangte diese Verfahrensklasse erst vor relativ kurzer Zeit das volle Interesse der Anwender.
Wolfgang Hackbusch
Backmatter
Metadaten
Titel
Iterative Lösung großer schwachbesetzter Gleichungssysteme
verfasst von
Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Hackbusch
Copyright-Jahr
1991
Verlag
Vieweg+Teubner Verlag
Electronic ISBN
978-3-663-01354-9
Print ISBN
978-3-519-02372-2
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-663-01354-9