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과학

GMRES

GMRES과학
영문명
Generalized minimal residual method
약칭
GMRES
최소화 대상
탐색 공간에서 잔차의 이차 노름
주요 연산
행렬 벡터 곱과 직교화
GMRES는 선형 연립방정식 Ax = b에서 탐색 부분공간 안의 잔차 길이를 최소화하는 반복법이다. Generalized minimal residual의 약칭이다. 기본 켤레기울기법과 달리 계수 행렬이 대칭 양의 정부호일 필요가 없어 비대칭 선형계에도 사용한다.

탐색 공간 안에서 가장 작은 잔차를 고른다

초기값이 0이면 첫 탐색 방향은 b가 생성하는 방향이다. 이후 행렬을 반복 적용해 얻는 방향으로 공간을 넓힌다. 각 단계에서는 그 공간 안에서 b-Ax의 길이를 최소로 하는 값을 구한다. 잔차 최소화는 알 수 없는 참해와의 거리 자체를 직접 최소화한다는 뜻은 아니다.

첫 단계의 계산 예

A의 두 행이 (2,1), (0,4)이고 b = (1,1)이라 하자. 첫 공간의 후보는 x = (c,c)다. Ax = (3c,4c)이므로 잔차 길이 제곱은 (1-3c)²+(1-4c)² = 25c²-14c+2다. 최소값은 c = 7/25에서 얻는다.

잔차와 해의 차이를 구분한다

첫 근삿값은 (0.28,0.28), 잔차는 (0.16,-0.12)이며 잔차 길이는 0.2다. 원래 방정식의 정확한 해는 (0.375,0.25)다. 첫 공간에서 최선의 잔차를 얻었다고 이미 정확한 해를 구한 것은 아니다. 다음 단계는 더 넓은 공간을 이용한다.

공간을 넓히는 비용

기저 벡터를 저장하고 새 방향을 이전 방향들에 대해 직교화하므로 탐색 공간이 커질수록 저장량과 작업량도 늘어난다. 다른 반복법과 비교할 때 반복 횟수만 세지 않는다. 원래 계의 잔차, 전처리 방식과 행렬 조건수도 함께 확인한다.

관련 문서

켤레기울기법 / 최소제곱법 / QR 분해 / 전처리 (수치해석) / 희소행렬 / 행렬 조건수 / 벡터 / 부동 소수점