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线性互补问题异步并行多GAOR方法的收敛分析

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2010年9月 四川师范大学学报(自然科学版) JoumM of Sichuan Norm ̄Umvemity(Natural Science) Sept.,2010 Vol|33.No.5 第33卷第5期 线性互补问题异步并行多GAOR方法的收敛分析 戴平凡 , 李耀堂 (1.三明学院数学与计算机科学系,福建三明365004; 2.云南大学数学与统计学院,云南昆明650091) 摘要:结合矩阵的多技术,把解线性互补问题的广义加速超松弛(GAOR)方法并行化,建立了解线 性互补问题的异步并行多广义加速超松弛方法(PMAGAOR),证明了当系统矩阵为 ~矩阵时,方法 的全局收敛性;当系统矩阵为E一矩阵时,方法的单调收敛性.该方法是文献(Bai Z Z,Evans D J.J Comput Appl Math,1998,96:127—138.)中方法(PMCAOR)的推广,算法执行时有更多松弛参数的选择. 关键词:线性互补问题;PMAGAOR方法;收敛 中图分类号:0241.6 文献标识码:A 文章编号:1001—8395(2010)05—0630—05 doi:10.3969/j.issn.1001—8395.2010.05.014 解大规模线性方程组的并行多迭代法是 广,算法执行时有更多松弛参数的选择. D.P.0’Leary和R.E.White¨ 首先提出的,后来 我们将用以下记号.设C=(C )∈R “. 许多的文献进一步发展了这一方法 .并行多分 diag(C)指用C的对角元素构成的对角矩阵,I Cl= 裂迭代法采用两种基本形式:一种是同步方法,另 (Ic I)指矩阵C的绝对值.(c)=((c薪))指C的比 一种是异步方法.同步方法是指在所有并行处理器 较矩阵,即当k= 时,(c村)=Ic村l;当k#j时,(c坷)= 上,当前迭代的结果更新以后才能进行下一步并行 一lc I,k√=1,2,…,n.P(C)指C的谱半径. 迭代,异步方法是指各处理器在用其它处理器的可 定义1_】 设A∈R : 能延迟的迭代结果来计算下一步迭代时,各个处理 (1)如果0 >0(k= )且口*≤0( ≠j.), , = 器彼此或多或少是的.考虑到能够节省潜在的 1,2,…,n,那么A是 一矩阵; 时问,自从D.Chazan和W.Mirankerl】 以点迭代 (2)如果A是非奇异的 一矩阵且A~>10,那 格式介绍异步迭代方法以来,该方法(也常叫混沌 么A是 一矩阵; 方法)吸引了许多学者的关注. (3)如果(A)是一个 一矩阵,那么A是Ⅳ一 最近,通过把线性系统的多技术应用到线 矩阵. 性互补问题,z.Z.Bai等 ’ 提出了一类在多处 定义2对于 ∈R ,定义向量X+,满足( +), 理器系统解线性互补问题的并行多方法.特别 =1Tlax{0, }√:1,2,…,n,那么,对任何 ,Y∈R , 地,在文献[12]中介绍了解线性互补问题的异步并 以下结果成立: 行多加速超松弛方法(PMCAOR方法)。而在 (1)( +J,)+≤ ++ +; 文献[13]中,作者提出了解线性互补问题的广义加 (2) +-y+≤( -y)+; 速超松弛方法(GAOR方法).受文献[12]的启发, (3)I l: ++(一 )+; 在本文中,结合矩阵的多技术,把解线性互补 (4) ≤ ,贝0 +≤.),+. 问题的GAOR方法并行化,得到解线性互补问题的 考虑线性互补问题:对任意给定的M∈R 和 异步并行多广义加速超松弛方法(PMA- q∈R ,找到z∈R 使得zt>0,Mz+q>10,及z (Mz GAOR),证明了当系统矩阵为日一矩阵时,方法的 +q):0.由定义2,则线性互补问题等价于如下的 全局收敛性;当系统矩阵为 一矩阵时,方法的单调 不动点问题 收敛性.该方法是文献[12]中PMCAOR方法的推 z=(z—D (Mz+q))+, (1) 收稿日期:2009—03—17 基金项目:福建省教育厅基金(JB09228)资助项目 作者简介:戴平凡(1975一),男,讲师,主要从事数值代数的研究 第5期 戴平凡等:线性互补问题异步并行多GAOR方法的收敛分析 631 这里D=diag(M)是非奇异的 引.因此,由(1)式出 现了多种迭代方法,如GAOR方法¨ : z =(z ——D一 [ed ̄Lz + ( —oLgJL)z +伪])+. 其中,M=D+L+ ,D=diag(M),L和U分别是 严格下三角矩阵和严格上三角矩阵, =diag( , ,…, ),其中 ∈R+(i=1,2,…,n)且 是实 数.对于GAOR方法的基本性质和收敛理论,见文 献[13].此外,(1)式也直接导致了下列引理. 引理1[13,15] 设 是对角元素为正的 一矩 阵,则线性互补问题LCP(M,q)有唯一解z ∈R . 1解线性互补问题的PMAGAOR方法 设M∈R 是非奇异矩阵,Z≤n是一个正整数, D=diag(M),M=D+L+U( =1,2,…,Z).假定 和 分别是严格下三角矩阵和严格上三角矩 阵,E ∈R 是非负对角矩阵,使得det(D)≠0且 (1)M=D+L +Uk, l (2)∑E =j(n×凡单位矩阵),  ̄JJ(D+ , , )(后=1,2,…, )叫做矩阵M∈ R 的一个多.定义f个算子 : 一R , = 1,2,…,f,使得 (z)= ,j}=1,2,…,f, (2) 这里 是如下系统的不动点 =(z—D (0 + ( M一 )z+ ))+. (3) 事实上,对任何z∈R“,(3)式在R 中有唯一 解.那么PMGAOR方法等价于以下格式 f =∑ ( ),P:0,1,2,…, 同文献[15]中模型4的并行多异步方法, 考虑下列多处理器上解线性互补问题的并行多分 裂异步广义加速超松弛方法PMAGAOR方法. PMAGAOR方法给一个初始向量z。∈R . 对于P=0,1,2,…,计算 , =∑ 』 似 (、 ),  k=1 P=0,1,2,…, =1,2,…,f, 其中, ( ,P)是复合数且满足 ( )一 。 。…。 , (k,p)≥1, 【J, (后,P)<1. 上述方法中,异步参数OZ( ,P)是指第七个处理 器在第P步更新向量.此外 ( :1,2,…,f)是指第 个算子,它是第 个处理器所要计算的任务.另一 方面,适当选择算子 (j}=1,2,…,z)的异步参数,不 仅大大改进该方法的收敛性质,而且也会得到一系 列矩阵意义上的并行异步松弛方法. 2 H一矩阵的收敛分析 下面重点讨论当系统矩阵M∈R 为H一矩阵 时,PMAGAOR方法的收敛性.为此,我们分析定义在 (2)、(3)式中算子 :R 一R , =1,2,…,2的性质. 定理1设 :R 一R , =1,2,…,f,是定义在 (2)、(3)式中的算子,并且记 G =I一 I f, F =I J—D (g/M一 )I, 后=1,2,…,f, (4) 那么对任何Y,z∈R 有 J (z)一 (Y)l≤G;- F I z—Y l, =1,2,…,f. (5) 证明设叼 = ( ),那么 =(Y—DI1[Q 2L 叩 +( 一d 2L ).),+ ])+, =1,2,…,Z. (6) 于是,从(3)式减去(6)式得 一,7 =(z—D (0 +([2M一0 )z+ ))+一(Y—D一 [ 』2L +( 一d )Y+ ])+≤((z—Y)一D [a 2L ( 一叼 )+ ( 一a僦 )(z一 )])+. 因此 ( 一 )+≤(一 *1L ( 一叩 ))++ ([I—D一 (//M一0 2L )](z—Y))+. (7) 类似地,得到 (叼 一 )+≤(一 一L (叼 一 ))++ ([,一D ( —a )](Y—z))+.(8) 从(7)和(8)式,我们能够获得下列估计 I 一 l=( 一 )++(呀 一 )+≤ (一a ~L ( 一r/))++(一d ~L (叼 一 ))++ ([ ~D一 ( ~a 2L )](z—Y))++ ([J—D (//M— 2L )](Y—z))+= I a 。。L ( 一叼 )l+l[J—D一 (//M一 2L )](z—Y)l≤01 I L I l 一叩 I+ l J—D ( 一 2L )}l z—Y 1. 632 四川师范大学学报(自然科学版) 故 I 一 I≤Gi F l z—Y I,k=1,2,…,f. 定理得证. 定理2设定理l的条件满足,则对任意Y,Z ER 和任何非负整数 ,有 I (z)一 (Y)I≤(Gi F ) l z—Y I, =1,2,…,f. 证明基于定理1,这个结论显然可直接由 递推得到. 有了上面的准备,现在能够建立PMAGAOR方 法的收敛性. 定理3设M=(m )∈R 是一个有正对角 元素的日一矩阵.设(D+L , , )( =1,2,…,f) 是它的多且满足 (M)=D—I I—l l;D—l I, k=1,2,…,Z. 对任意初始向量z。∈R ,如果异步参数0t(.i},P)使 得0g(k,P)≥1(k=1,2,…,Z;p=0,1,2,…,)且松弛 参数 及 满足 ,) 0<09i< T , 0≤ ≤1, i=1,2,…,//,, 则由PMAGAOR方法迭代产生的序列{zP}收敛于 LCP(M,q)的唯一解z . 证明从引理1,LCP(M,q)有唯一解z E R .也就是说,z = (z )(k=1,2,…,2),因此 Z z =∑E (z ), P=0,1,2,…,k:1,2,…,f. 按照PMAGAOR方法的定义,得到 Z  l一z I=∑E 1 ‘ ’(z )一 似 (z )l, P=0,1,2,…, 由定理1和2能进一步获得 Z I z川一z I≤∑E (G F ) ’ I Z 一Z I= I Zp—z I≤H 一Ho I Z。一z’I, P=0,1,2,…, 这里 ? =∑E (G F ) ,P=0,1,2,…。 因此,如果 lim I -[H ̄ 0,迭代序列{zP}收敛于 z .需要证明对某个正的向量U∈R 和某个非负常 数0∈[0,1),Itvu≤Ou(P=0,1,2,…)成立.事实 上,从文献[3]知道在给定的条件下存在一个正的 向量U∈R 和一个常数0∈[0,1)满足G F U≤ “(k=l,2,…,z).因此,记 (k,P)≥1((k=1,2, …,2;p=0,1,2,…),显然有 l , Hpu=∑E (Gi F^) ≤∑E 似 lf≤Ou, =1 =l P=0,1,2,…. 定理证毕. 3单调收敛分析 下面主要讨论当系统矩阵M∈R 是一个£ 一矩阵时,PMAGAOR方法的单调收敛性质.我们 将证明,对于某个初始向量,PMAGAOR方法产生 的迭代序列收敛于LCP(M,g)的解.为此,我们假 定线性互补问题的解的集合 ={z∈R”I z≥0,Mz+鼋≥0} 是非空的. 首先,研究下列算子的单调性质: :R“一R ,k =1,2,…,f, (z)= , =(z—DI1[ + (.OM一 L )z+ ])+. (9) 定理4 设算子 :R 一R“,k=1,2,…,2如 (9)式所定义.假定M∈R 是一个 一矩阵,且 (D+ , ,E )( =l,2,…,2)是它的一个多分 裂,其中L ≤0,U ≤0,k=1,2,…,f.还假定0< ≤1(i=1,2,…,n),0≤OL≤1.那么对任何z∈ ,有 (1) (z)≤z; =1,2,…,Z; (2)Y≤z (J,)≤ (Z);后=1,2,…,f; (3) =∑ (z)∈q,-. 证明类似于文献[13]中的定理4的证明. 基于定理4,能得到PMAGAOR方法的单调收 敛性. 定理5假定M∈R 一个£一矩阵.还假定0 < ≤1,0≤ ≤1.那么对任何初始向量z。E ,由 PMAGAOR方法产生的迭代序列{zP},P=0,1,2, …,有下列性质: (1)0≤ “≤z ≤z。,P=0,1,2,…; 第5期 戴平凡等:线性互补问题异步并行多GAOR方法的收敛分析 633 (2)limz =Z 是LCP(M,q)的解; (1)L ≤ ,k=1,2,…,f; (2)0≤ ≤oL≤l; (3)LCP的任意解z一若满足0≤z一≤z。则 Z一<-z . (3)0≤ ≤ ≤1,i:1,2,…,rt; (4) (k,p)≤ (k,P),k=1,2,…,l;p=0,1, 2,…. 证明 因为z。∈ ,由定理4的(1),有z ≤z。 及z ∈ 然后再反复用定理4得(1).从(1)知道 序列{z }单调有界,因此它收敛于某个向量Z ,且 满足 则有 ≤乏 ,P=0,1,2,…. (1o) z =(z 一D [aOL Z + (12M—cr ̄O,L )z +Oq])+, 即 证明由定理5知道序列{ }及{ }收敛.下 面证明(1O)式.类似于证明定理4的过程,假定对 于p=O,1,2,…,有 , ∈ 定义算子 :R 一R , k=1,2,…,z,满足 (z)= (k=1,2,…,z),这里 z =(z 一D [.OMz +伪])+. 故Z 是线性互补问题LCP( ,口)的解.考虑(3). 因为z一是LCP(M,g)的解,则Z~f 是下列方程的不动点 = 芋 =(z—D [ ( 一 芋 + )z+ ])+, ∑E :1 (z一),p=o,1,2,…,成立.反复应用 其中, =diag( , ,…,历 ).那么,有 “=定理4,得z一≤Zp,P=0,1,2,…,然后,不等式两边 取极限得Z一≤z . ∑E 似 ’( ), =I 下列定理描述了参数∞ , 和系统矩阵M∈R 的多(D+ , ,E )(k=1,2,…,Z)对PMA— P=0,1,2,…, =1,2,…,f. 此外,只有(1)~(4)中有一个成立,对z∈ ,能够 GAOR方法单调收敛率的影响. 定理6设M∈R 是一个£一矩阵.设(D+ 工 , , )(k=1,2,…,Z)和(D+ , ,E )( = 1,2,…,f)是系统矩阵M∈R 的两个多,且 满足L ≤O, ≤0, ≤0和Uk≤0,k=1,2,…,z. 由归纳法得 (z)≤五(z),k=1,2,…,2.因为z∈ 则Vk E{k=1,2,…,f}, (z), (z)∈ ,所要 ,证的结论能由归纳法得到.事实上,当p=0,(10) 式显然成立.假定(1O)式对某个正整数p成立.那 么由(4)及反复用定理4易得 ‘ ( )≤ ‘ (乏P), p=0,1,2,…,k=1,2,…,Z, 那么,对任何初始向量z。= ∈缈,分别对应于参数 ( ,oL)、(历 , )及多(D+ , ,E )(k=1, 2,一。,Z)、(D+ , , )(k=1,2,…,Z),由PMC- 因此,zp“≤之P“,P=0,1,2,….证毕. 致谢 感谢三明学院科研基金项目(B0826/ Q)的资助. GAOR方法产生的两个迭代序列{zP}和{ }收敛于 线性互补问题LCP(M,q)的解z ∈R .此外,如果 下列条件中至少有一个成立: 参考文献 [1]o’Leafy D P,White R E.Muhisplittings of matirces and parallel solution of linear systems[J].SIAM J Alge Disc Meth,1985, 6:630—640. [2]Bai Z Z.On the monotone convergence of matirx muhisplitting relaxation methods for the linear complementarity problem[J]. IMA J Numer Anal,1998,18:509—518. [3]Bai Z Z,Evans D J.Matrix multisplitting relaxation methods orf linear complementarity problems[J].Int J Comput Math,1997, 63:309—326. [4]Frommer A,Mayer G.Convergence of parallel multisplitting methods[J].Linear Alge Appl。1989,1 19:141—152. [5]Yuan D J.On the convergence of parallel muhisplitting asynchronous GAOR method for H—matirx[J].Appl Math Comput, 2005,160:477—485. 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Key words:linear complementarity problem;PMAGAOR method;convergence 2000 MSC:65F02 (编辑周俊) 

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