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Lexikon der Mathematik: polynomielle Konvergenzbeschleunigung

Technik der Numerischen Mathematik, aus einer Fixpunktiteration \begin{eqnarray}{x}^{(k\ +\ 1)}\ =\ T{x}^{(k)}\ +\ f\end{eqnarray} zur Lösung eines linearen Gleichungssystems Ax = b durch Bildung geeigneter Linearkombinationen der Iterierten ein schneller konvergierendes Verfahren zu erhalten.

Mit gegebenem Startvektor x(0) bildet man mittels der Fixpunktiteration x(k+1) = Tx(k) + f eine Folge von Näherungslösungen x(j) und eine modifizierte Folge \begin{eqnarray}{z}^{(j)}\ =\ \displaystyle \sum _{i=0}^{j}{\alpha }_{j,i}{x}^{(i)}\end{eqnarray} für j ∈ ℕ. Hierbei sind die αj,i reelle Zahlen, für welche \(\displaystyle {\Sigma }_{i=0}^{j}{\alpha }_{j,i}\ =\ 1\) gilt. Sei x die eindeutige Lösung des Gleichungssystems Ax = b, bzw. der zugehörigen Fixpunktgleichung x = Tx + f. Dann gilt für den Fehler d(j) = z(j)x der modifizierten Folge \begin{eqnarray}{d}^{(j)}\ =\ \displaystyle \sum _{i=0}^{j}{\alpha }_{j,i}{T}^{i}{d}^{(0)}\ =\ {P}_{k}(T){d}^{(0)}\end{eqnarray} mit dem Polynom \({p}_{k}(T)\ =\ \displaystyle {\Sigma }_{i=0}^{j}{\alpha }_{j,i}{T}^{i}\). Man ist nun an einem möglichst kleinem Fehler d(j) interessiert, d. h. man versucht, die αj,i so zu wählen, daß d(j) möglichst minimal ist.

In einigen (für die Anwendungen wichtigen) Speziallfällen ist bekannt, wie die Wahl der αj,i erfolgen sollte. Ist etwa die Fixpunktiteration x(k+1) = Tx(k) + f symmetrisierbar (d. h. existiert eine nichtsinguläre Matrix W so, daß W(IT)W−1 symmetrisch und positiv definit ist), dann sollten die Koeffizienten αj,i als Koeffizienten des Polynoms \begin{eqnarray}{Q}_{k}(t)\ =\ \frac{{T}_{k}(\frac{2t-b-a\ }{b-a})}{{T}_{k}(\frac{2-b-a}{b-a})}\end{eqnarray} gewählt werden; hierbei bezeichnet Tk das k-te Tschebyschew-Polynom (erster Art). Man erhält so das optimale Tschebyschew-Beschleunigungsverfahren für die jeweilige Grunditeration.

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  • Die Autoren
- Prof. Dr. Guido Walz

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