Lanczos双直交化の変更点

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[[連立1次方程式：双共役勾配法]]
Lanczos法は対称行列に限定した，Krylov部分空間における正規直交基底を求める方法であったが，
これを非対称行列に対応させた拡張をLanczos双直交化(Lanczos Biorthogonalization or Two-sided Lanczos method)，
非対応行列の正規直交基底を求めるのならばArnoldi法になるのではないかと思うが，
そうではなく，双直交系(biorthogonal system)に基づく方法で，Arnoldiとは異なる．
ちなみに 双直交系とは，2つのベクトル空間のそれぞれの直交基底&ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq1.gif,nolink,70%);が
&ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq2.gif,nolink,70%);となるような系である(&ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq3.gif,nolink,70%);はクロネッカーのデルタでi=jで1,それ以外で0となる)．

Lanczos双直交化では，以下の2つのKrylov部分空間の正規直交基底を求めていく．
#ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq4.gif,nolink,70%)

#ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq5.gif,nolink,70%)

双直交な&ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq6.gif,nolink,70%);と&ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq7.gif,nolink,70%);のKrylov部分空間の基底ならば，&ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq8.gif,nolink,70%);を満たす．

Lanzcos法のアルゴリズムより，以下の3項漸化式(three-term recurrence formula)が成り立つ．
#ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq9.gif,nolink,70%)

&ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq10.gif,nolink,70%);についても同様に，
#ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq11.gif,nolink,70%)

ここで，&ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq12.gif,nolink,70%);であり，
&ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq13.gif,nolink,70%);は&ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq14.gif,nolink,70%);を正規化するためのパラメータである．
#ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq15.gif,nolink,70%)

双直交化するために，&ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq16.gif,nolink,70%);となるように&ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq13.gif,nolink,70%);を定める．
つまり，
#ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq17.gif,nolink,70%)

となる．この条件を満たす限り，&ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq13.gif,nolink,70%);はどのように定めてもよい．
ここでは，
#ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq18.gif,nolink,70%)

とする．また，この定義から以下も成り立つ．
#ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq19.gif,nolink,70%)


これらの式を用いたLanczos双直交化のアルゴリズムは以下となる．

>
任意のベクトル&ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq20.gif,nolink,70%);を設定(ただし&ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq21.gif,nolink,70%);)~
&ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq22.gif,nolink,70%);を設定~
for(j = 1,2,...,m){~
　　&ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq23.gif,nolink,70%);~
　　&ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq24.gif,nolink,70%);~
　　&ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq25.gif,nolink,70%);~
　　&ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq26.gif,nolink,70%);~
　　if(&ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq27.gif,nolink,70%);) 反復終了~
　　&ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq28.gif,nolink,70%);~
　　&ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq29.gif,nolink,70%);~
　　&ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq30.gif,nolink,70%);~
}


得られた&ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq31.gif,nolink,70%);からなる行列
#ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq32.gif,nolink,70%)

を考える．双直交系なので，&ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq33.gif,nolink,70%);である．
今，アルゴリズム中の&ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq34.gif,nolink,70%);を使って以下の三重対角行列を定義する．
#ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq35.gif,nolink,70%)

3項漸化式より，
#ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq36.gif,nolink,70%)

&ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq37.gif,nolink,70%);を使って，&ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq38.gif,nolink,70%);にまとめると以下となる．
#ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq39.gif,nolink,70%)

この式から，
#ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq40.gif,nolink,70%)

双直交性から&ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq41.gif,nolink,70%);なので，
#ref(ls_bicg1_bi-lanczos.eq42.gif,nolink,70%)
Lanczos双直交化 の変更点
