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Modified Richardson iteration

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1344: 1062: 1193: 722: 1678: 1951: 1541: 582: 1205: 187: 2004:
Richardson, L.F. (1910). "The approximate arithmetical solution by finite differences of physical problems involving differential equations, with an application to the stresses in a masonry dam".
1789: 1735: 929: 308: 1108: 766: 833: 456: 981: 1587: 956: 1376: 1980: 1436: 1403: 976: 341: 243: 210: 79: 370: 1113: 877: 857: 789: 398: 593: 2097: 2006: 1595: 1808: 1456: 464: 1339:{\displaystyle \min _{\omega \in (0,\omega _{\text{max}})}\rho (I-\omega A)=\rho (I-\omega _{\text{opt}}A)=1-{\frac {2}{\kappa (A)+1}}\,,} 2218: 90: 2243: 2238: 2090: 2264: 2197: 2083: 2061: 1740: 1686: 2228: 882: 2155: 2039: 255: 2053: 1796: 1067: 2187: 2035: 2048: 1057:{\displaystyle 0<\omega <\omega _{\text{max}}\,,\ \omega _{\text{max}}:=2/\lambda _{\text{max}}(A)} 792: 730: 798: 2269: 2141: 403: 27: 2192: 249: 2106: 1991: 1554: 934: 39: 1352: 1959: 2151: 1408: 1388: 961: 313: 215: 195: 51: 2146: 1188:{\displaystyle \omega _{\text{opt}}:=2/(\lambda _{\text{min}}(A)+\lambda _{\text{max}}(A))} 31: 346: 8: 2125: 1196: 2043: 2023: 862: 842: 774: 383: 2057: 1385:
If there are both positive and negative eigenvalues, the method will diverge for any
717:{\displaystyle \|e^{(k+1)}\|=\|(I-\omega A)e^{(k)}\|\leq \|I-\omega A\|\|e^{(k)}\|,} 2161: 2015: 1447: 1379: 23: 2202: 1544: 45:
We seek the solution to a set of linear equations, expressed in matrix terms as
2120: 2258: 2166: 35: 2075: 2019: 1673:{\displaystyle {\tilde {A}}^{T}{\tilde {A}}x={\tilde {A}}^{T}{\tilde {b}}.} 1439: 1946:{\displaystyle x^{(k+1)}=x^{(k)}-t\nabla F(x^{(k)})=x^{(k)}-t(Ax^{(k)}-b)} 1536:{\displaystyle F(x)={\frac {1}{2}}\|{\tilde {A}}x-{\tilde {b}}\|_{2}^{2}} 836: 727:
for any vector norm and the corresponding induced matrix norm. Thus, if
577:{\displaystyle e^{(k+1)}=e^{(k)}-\omega Ae^{(k)}=(I-\omega A)e^{(k)}.} 2182: 2027: 958:. If, e.g., all eigenvalues are positive, this can be guaranteed if 1548: 212:
is a scalar parameter that has to be chosen such that the sequence
182:{\displaystyle x^{(k+1)}=x^{(k)}+\omega \left(b-Ax^{(k)}\right),} 2233: 2223: 16:
Iterative method used to solve a linear system of equations
1956:
which is equivalent to the Richardson iteration by making
1962: 1811: 1743: 1689: 1598: 1557: 1459: 1411: 1391: 1355: 1208: 1116: 1070: 984: 964: 937: 885: 865: 845: 801: 777: 733: 596: 467: 406: 386: 349: 316: 258: 218: 198: 93: 54: 1547:, a sufficient condition for optimality is that the 1199:. This optimal choice yields a spectral radius of 1974: 1945: 1783: 1729: 1672: 1581: 1535: 1445: 1430: 1397: 1370: 1338: 1187: 1102: 1056: 970: 950: 923: 871: 851: 827: 783: 760: 716: 576: 450: 392: 364: 335: 302: 248:It is easy to see that the method has the correct 237: 204: 181: 73: 2007:Philosophical Transactions of the Royal Society A 2256: 1210: 1784:{\displaystyle b={\tilde {A}}^{T}{\tilde {b}}} 1730:{\displaystyle A={\tilde {A}}^{T}{\tilde {A}}} 2091: 400:, and introducing the notation for the error 34:in his work dated 1910. It is similar to the 2105: 1519: 1485: 1438:has nonzero components in the corresponding 924:{\displaystyle |1-\omega \lambda _{j}|<1} 749: 734: 708: 689: 686: 671: 665: 628: 622: 597: 2098: 2084: 2003: 1332: 1007: 70: 303:{\displaystyle x^{(k+1)}\approx x^{(k)}} 2229:Basic Linear Algebra Subprograms (BLAS) 2034: 1103:{\displaystyle |1-\omega \lambda _{j}|} 30:. Richardson iteration was proposed by 2257: 2079: 1799:, so it has no negative eigenvalues. 1064:. The optimal choice, minimizing all 458:, we get the equality for the errors 1589:) which gives rise to the equation 761:{\displaystyle \|I-\omega A\|<1} 13: 1859: 1558: 828:{\displaystyle (\lambda _{j})_{j}} 14: 2281: 1453:Consider minimizing the function 451:{\displaystyle e^{(k)}=x^{(k)}-x} 343:has to approximate a solution of 252:, because if it converges, then 380:Subtracting the exact solution 1940: 1929: 1923: 1912: 1901: 1895: 1884: 1879: 1873: 1865: 1848: 1842: 1829: 1817: 1802:A step of gradient descent is 1775: 1757: 1721: 1703: 1661: 1643: 1624: 1606: 1570: 1564: 1512: 1494: 1469: 1463: 1423: 1417: 1365: 1359: 1320: 1314: 1293: 1271: 1262: 1247: 1239: 1220: 1182: 1179: 1173: 1157: 1151: 1138: 1096: 1072: 1051: 1045: 911: 887: 816: 802: 703: 697: 660: 654: 646: 631: 617: 605: 566: 560: 552: 537: 529: 523: 504: 498: 485: 473: 437: 431: 418: 412: 375: 328: 322: 295: 289: 276: 264: 230: 224: 166: 160: 130: 124: 111: 99: 1: 2036:Lebedev, Vyacheslav Ivanovich 1997: 1797:positive semi-definite matrix 1582:{\displaystyle \nabla F(x)=0} 20:Modified Richardson iteration 2040:"Chebyshev iteration method" 951:{\displaystyle \lambda _{j}} 84:The Richardson iteration is 7: 2049:Encyclopedia of Mathematics 1985: 1195:, which gives the simplest 793:symmetric positive definite 10: 2286: 2142:System of linear equations 1371:{\displaystyle \kappa (A)} 28:system of linear equations 2211: 2193:Cache-oblivious algorithm 2175: 2134: 2113: 1975:{\displaystyle t=\omega } 1791:. Because of the form of 859:. The error converges to 2265:Numerical linear algebra 2244:General purpose software 2107:Numerical linear algebra 1992:Richardson extrapolation 768:, the method converges. 1431:{\displaystyle e^{(0)}} 1398:{\displaystyle \omega } 971:{\displaystyle \omega } 336:{\displaystyle x^{(k)}} 238:{\displaystyle x^{(k)}} 205:{\displaystyle \omega } 74:{\displaystyle Ax=b.\,} 2020:10.1098/rsta.1911.0009 1976: 1947: 1785: 1731: 1674: 1583: 1537: 1432: 1399: 1372: 1340: 1189: 1104: 1058: 972: 952: 925: 873: 853: 829: 785: 762: 718: 578: 452: 394: 366: 337: 304: 239: 206: 183: 75: 2239:Specialized libraries 2152:Matrix multiplication 2147:Matrix decompositions 1977: 1948: 1786: 1732: 1675: 1584: 1538: 1433: 1405:if the initial error 1400: 1373: 1341: 1190: 1105: 1059: 973: 953: 926: 874: 854: 830: 786: 763: 719: 579: 453: 395: 367: 338: 305: 240: 207: 184: 76: 1960: 1809: 1741: 1687: 1596: 1555: 1457: 1409: 1389: 1353: 1206: 1114: 1068: 982: 978:is chosen such that 962: 935: 931:for all eigenvalues 883: 863: 843: 799: 775: 731: 594: 465: 404: 384: 365:{\displaystyle Ax=b} 347: 314: 256: 216: 196: 91: 52: 32:Lewis Fry Richardson 2126:Numerical stability 1532: 1197:Chebyshev iteration 40:Gauss–Seidel method 2044:Michiel Hazewinkel 1972: 1943: 1781: 1727: 1670: 1579: 1543:. Since this is a 1533: 1518: 1428: 1395: 1368: 1336: 1243: 1185: 1100: 1054: 968: 948: 921: 869: 849: 825: 781: 758: 714: 574: 448: 390: 362: 333: 300: 235: 202: 179: 71: 2270:Iterative methods 2252: 2251: 1778: 1760: 1724: 1706: 1664: 1646: 1627: 1609: 1515: 1497: 1483: 1330: 1287: 1236: 1209: 1170: 1148: 1124: 1042: 1021: 1013: 1004: 872:{\displaystyle 0} 852:{\displaystyle A} 784:{\displaystyle A} 393:{\displaystyle x} 2277: 2162:Matrix splitting 2100: 2093: 2086: 2077: 2076: 2072: 2071: 2070: 2031: 1981: 1979: 1978: 1973: 1952: 1950: 1949: 1944: 1933: 1932: 1905: 1904: 1883: 1882: 1852: 1851: 1833: 1832: 1790: 1788: 1787: 1782: 1780: 1779: 1771: 1768: 1767: 1762: 1761: 1753: 1736: 1734: 1733: 1728: 1726: 1725: 1717: 1714: 1713: 1708: 1707: 1699: 1679: 1677: 1676: 1671: 1666: 1665: 1657: 1654: 1653: 1648: 1647: 1639: 1629: 1628: 1620: 1617: 1616: 1611: 1610: 1602: 1588: 1586: 1585: 1580: 1542: 1540: 1539: 1534: 1531: 1526: 1517: 1516: 1508: 1499: 1498: 1490: 1484: 1476: 1448:gradient descent 1437: 1435: 1434: 1429: 1427: 1426: 1404: 1402: 1401: 1396: 1380:condition number 1377: 1375: 1374: 1369: 1345: 1343: 1342: 1337: 1331: 1329: 1306: 1289: 1288: 1285: 1242: 1238: 1237: 1234: 1194: 1192: 1191: 1186: 1172: 1171: 1168: 1150: 1149: 1146: 1137: 1126: 1125: 1122: 1109: 1107: 1106: 1101: 1099: 1094: 1093: 1075: 1063: 1061: 1060: 1055: 1044: 1043: 1040: 1034: 1023: 1022: 1019: 1011: 1006: 1005: 1002: 977: 975: 974: 969: 957: 955: 954: 949: 947: 946: 930: 928: 927: 922: 914: 909: 908: 890: 878: 876: 875: 870: 858: 856: 855: 850: 834: 832: 831: 826: 824: 823: 814: 813: 790: 788: 787: 782: 767: 765: 764: 759: 723: 721: 720: 715: 707: 706: 664: 663: 621: 620: 583: 581: 580: 575: 570: 569: 533: 532: 508: 507: 489: 488: 457: 455: 454: 449: 441: 440: 422: 421: 399: 397: 396: 391: 371: 369: 368: 363: 342: 340: 339: 334: 332: 331: 309: 307: 306: 301: 299: 298: 280: 279: 244: 242: 241: 236: 234: 233: 211: 209: 208: 203: 188: 186: 185: 180: 175: 171: 170: 169: 134: 133: 115: 114: 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Index

iterative method
system of linear equations
Lewis Fry Richardson
Jacobi
Gauss–Seidel method
fixed points
symmetric positive definite
eigenvalues
Chebyshev iteration
condition number
eigenvectors
gradient descent
convex function
gradient
positive semi-definite matrix
Richardson extrapolation
Philosophical Transactions of the Royal Society A
doi
10.1098/rsta.1911.0009
JSTOR
90994
Lebedev, Vyacheslav Ivanovich
"Chebyshev iteration method"
Michiel Hazewinkel
Encyclopedia of Mathematics
EMS Press
ISBN
1-4020-0609-8
v
t

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