构造预处理矩阵M(对称正定)

下图来自:预处理共轭梯度法(1)

下图来自:预处理(Preconditioning)

根据上面的对于预处理共轭梯度法的介绍,我们可以得到使用lanczos算法进行的预处理共轭梯度算法:

代码:

点击查看代码
import numpy as np
# from rllab.misc.ext import sliced_fun EPS = np.finfo('float64').tiny def cg(f_Ax, b, cg_iters=10, callback=None, verbose=False, residual_tol=1e-10):
"""
Demmel p 312
"""
p = b.copy()
r = b.copy()
x = np.zeros_like(b)
rdotr = r.dot(r) fmtstr = "%10i %10.3g %10.3g"
titlestr = "%10s %10s %10s"
if verbose: print(titlestr % ("iter", "residual norm", "soln norm")) for i in range(cg_iters):
if callback is not None:
callback(x)
if verbose: print(fmtstr % (i, rdotr, np.linalg.norm(x)))
z = f_Ax(p)
v = rdotr / p.dot(z)
x += v * p
r -= v * z
newrdotr = r.dot(r)
mu = newrdotr / rdotr
p = r + mu * p rdotr = newrdotr
if rdotr < residual_tol:
break if callback is not None:
callback(x)
if verbose: print(fmtstr % (i + 1, rdotr, np.linalg.norm(x))) # pylint: disable=W0631
return x def preconditioned_cg(f_Ax, f_Minvx, b, cg_iters=10, callback=None, verbose=False, residual_tol=1e-10):
"""
Demmel p 318
"""
x = np.zeros_like(b)
r = b.copy()
p = f_Minvx(b)
y = p
ydotr = y.dot(r) fmtstr = "%10i %10.3g %10.3g"
titlestr = "%10s %10s %10s"
if verbose: print(titlestr % ("iter", "residual norm", "soln norm")) for i in range(cg_iters):
if callback is not None:
callback(x, f_Ax)
if verbose: print(fmtstr % (i, ydotr, np.linalg.norm(x)))
z = f_Ax(p)
v = ydotr / p.dot(z)
x += v * p
r -= v * z
y = f_Minvx(r)
newydotr = y.dot(r)
mu = newydotr / ydotr
p = y + mu * p ydotr = newydotr if ydotr < residual_tol:
break if verbose: print(fmtstr % (cg_iters, ydotr, np.linalg.norm(x))) return x def test_cg():
A = np.random.randn(5, 5)
# A = np.array([[1, 0, 0, 0, 0], [0, 1, 0, 0, 0], [0, 0, 1, 0, 0], [0, 0, 0, 1, 0], [0, 0, 0, 0, 1]])
A = A.T.dot(A)
b = np.random.randn(5)
x = cg(lambda x: A.dot(x), b, cg_iters=5, verbose=True) # pylint: disable=W0108
assert np.allclose(A.dot(x), b) x = preconditioned_cg(lambda x: A.dot(x), lambda x: np.linalg.solve(A, x), b, cg_iters=5,
verbose=True) # pylint: disable=W0108
assert np.allclose(A.dot(x), b) x = preconditioned_cg(lambda x: A.dot(x), lambda x: x / np.diag(A), b, cg_iters=5,
verbose=True) # pylint: disable=W0108
assert np.allclose(A.dot(x), b) def lanczos(f_Ax, b, k):
"""
Runs Lanczos algorithm to generate a orthogonal basis for the Krylov subspace
b, Ab, A^2b, ...
as well as the upper hessenberg matrix T = Q^T A Q from Demmel ch 6
""" assert k > 1 alphas = []
betas = []
qs = [] q = b / np.linalg.norm(b)
beta = 0
qm = np.zeros_like(b)
for j in range(k):
qs.append(q) z = f_Ax(q) alpha = q.dot(z)
alphas.append(alpha)
z -= alpha * q + beta * qm beta = np.linalg.norm(z)
betas.append(beta) print("beta", beta)
if beta < 1e-9:
print("lanczos: early after %i/%i dimensions" % (j + 1, k))
break
else:
qm = q
q = z / beta return np.array(qs, 'float64').T, np.array(alphas, 'float64'), np.array(betas[:-1], 'float64') def lanczos2(f_Ax, b, k, residual_thresh=1e-9):
"""
Runs Lanczos algorithm to generate a orthogonal basis for the Krylov subspace
b, Ab, A^2b, ...
as well as the upper hessenberg matrix T = Q^T A Q
from Demmel ch 6
"""
b = b.astype('float64')
assert k > 1
H = np.zeros((k, k))
qs = [] q = b / np.linalg.norm(b)
beta = 0 for j in range(k):
qs.append(q) z = f_Ax(q.astype('float64')).astype('float64')
for (i, q) in enumerate(qs):
H[j, i] = H[i, j] = h = q.dot(z)
z -= h * q beta = np.linalg.norm(z)
if beta < residual_thresh:
print("lanczos2: stopping early after %i/%i dimensions residual %f < %f" % (j + 1, k, beta, residual_thresh))
break
else:
q = z / beta return np.array(qs).T, H[:len(qs), :len(qs)] def make_tridiagonal(alphas, betas):
assert len(alphas) == len(betas) + 1
N = alphas.size
out = np.zeros((N, N), 'float64')
out.flat[0:N ** 2:N + 1] = alphas
out.flat[1:N ** 2 - N:N + 1] = betas
out.flat[N:N ** 2 - 1:N + 1] = betas
return out def tridiagonal_eigenvalues(alphas, betas):
T = make_tridiagonal(alphas, betas)
return np.linalg.eigvalsh(T) def test_lanczos():
np.set_printoptions(precision=4) A = np.random.randn(5, 5)
A = A.T.dot(A)
b = np.random.randn(5)
f_Ax = lambda x: A.dot(x) # pylint: disable=W0108
Q, alphas, betas = lanczos(f_Ax, b, 10)
H = make_tridiagonal(alphas, betas)
assert np.allclose(Q.T.dot(A).dot(Q), H)
assert np.allclose(Q.dot(H).dot(Q.T), A)
assert np.allclose(np.linalg.eigvalsh(H), np.linalg.eigvalsh(A)) Q, H1 = lanczos2(f_Ax, b, 10)
assert np.allclose(H, H1, atol=1e-6) print("ritz eigvals:")
for i in range(1, 6):
Qi = Q[:, :i]
Hi = Qi.T.dot(A).dot(Qi)
print(np.linalg.eigvalsh(Hi)[::-1])
print("true eigvals:")
print(np.linalg.eigvalsh(A)[::-1]) print("lanczos on ill-conditioned problem")
A = np.diag(10 ** np.arange(5))
Q, H1 = lanczos2(f_Ax, b, 10)
print(np.linalg.eigvalsh(H1)) print("lanczos on ill-conditioned problem with noise") def f_Ax_noisy(x):
return A.dot(x) + np.random.randn(x.size) * 1e-3 Q, H1 = lanczos2(f_Ax_noisy, b, 10)
print(np.linalg.eigvalsh(H1)) if __name__ == "__main__": np.set_printoptions(precision=4) A = np.random.randn(5, 5)
A = A.T.dot(A)
b = np.random.randn(5)
f_Ax = lambda x: A.dot(x) # pylint: disable=W0108 x = cg(lambda x: A.dot(x), b, cg_iters=5, verbose=True) # pylint: disable=W0108
assert np.allclose(A.dot(x), b) Q, H = lanczos2(f_Ax, b, 10) M_inv = Q.T.dot(Q) x = preconditioned_cg(lambda x: A.dot(x), lambda x: M_inv.dot(x), b, cg_iters=5,
verbose=True) # pylint: disable=W0108
assert np.allclose(A.dot(x), b) A_ = Q.T.dot(A).dot(Q)
b_ = Q.T.dot(b)
x_ = cg(lambda x: A_.dot(x), b_, cg_iters=5, verbose=True) # pylint: disable=W0108
x = Q.dot(x_)
assert np.allclose(A.dot(x), b)

运算结果:

因为预处理的共轭梯度法的适用环境:

“正定的大型稀疏矩阵”,并且矩阵的条件数(最大最小特征值之比)很大的情况。

因此,这里给出的使用lanczos算法进行的预处理共轭梯度算法并没有比共轭梯度法有运算速度上的提升。

使用lanczos算法进行的预处理共轭梯度算法(Preconditioned Conjugate Gradients Method)的更多相关文章

  1. 共轭梯度算法求最小值-scipy

    # coding=utf-8 #共轭梯度算法求最小值 import numpy as np from scipy import optimize def f(x, *args): u, v = x a ...

  2. 机器学习: 共轭梯度算法(PCG)

    今天介绍数值计算和优化方法中非常有效的一种数值解法,共轭梯度法.我们知道,在解大型线性方程组的时候,很少会有一步到位的精确解析解,一般都需要通过迭代来进行逼近,而 PCG 就是这样一种迭代逼近算法. ...

  3. Mahout 系列之----共轭梯度

    无预处理共轭梯度 要求解线性方程组 ,稳定双共轭梯度法从初始解 开始按以下步骤迭代: 任意选择向量 使得 ,例如, 对 若 足够精确则退出 预处理共轭梯度 预处理通常被用来加速迭代方法的收敛.要使用预 ...

  4. 近端梯度算法(Proximal Gradient Descent)

    L1正则化是一种常用的获取稀疏解的手段,同时L1范数也是L0范数的松弛范数.求解L1正则化问题最常用的手段就是通过加速近端梯度算法来实现的. 考虑一个这样的问题: minx  f(x)+λg(x) x ...

  5. 3. OpenCV-Python——图像梯度算法、边缘检测、图像金字塔与轮廓检测、直方图与傅里叶变换

    一.图像梯度算法 1.图像梯度-Sobel算子 dst = cv2.Sobel(src, ddepth, dx, dy, ksize) ddepth:图像的深度 dx和dy分别表示水平和竖直方向 ks ...

  6. 【算法随记】Canny边缘检测算法实现和优化分析。

    以前的博文大部分都写的非常详细,有很多分析过程,不过写起来确实很累人,一般一篇好的文章要整理个三四天,但是,时间越来越紧张,后续的一些算法可能就以随记的方式,把实现过程的一些比较容易出错和有价值的细节 ...

  7. Machine Learning读书会,面试&算法讲座,算法公开课,创业活动,算法班集锦

    Machine Learning读书会,面试&算法讲座,算法公开课,创业活动,算法班集锦 近期活动: 2014年9月3日,第8次西安面试&算法讲座视频 + PPT 的下载地址:http ...

  8. 前向分步算法 && AdaBoost算法 && 提升树(GBDT)算法 && XGBoost算法

    1. 提升方法 提升(boosting)方法是一种常用的统计学方法,在分类问题中,它通过逐轮不断改变训练样本的权重,学习多个分类器,并将这些分类器进行线性组合,提高分类的性能 0x1: 提升方法的基本 ...

  9. 前向传播算法(Forward propagation)与反向传播算法(Back propagation)

    虽然学深度学习有一段时间了,但是对于一些算法的具体实现还是模糊不清,用了很久也不是很了解.因此特意先对深度学习中的相关基础概念做一下总结.先看看前向传播算法(Forward propagation)与 ...

  10. 词性标注算法之CLAWS算法和VOLSUNGA算法

    背景知识 词性标注:将句子中兼类词的词性根据上下文唯一地确定下来. 一.基于规则的词性标注方法 1.原理 利用事先制定好的规则对具有多个词性的词进行消歧,最后保留一个正确的词性. 2.步骤 ①对词性歧 ...

随机推荐

  1. 打开TLS 1.1和1.2而不影响其他协议

    打开TLS 1.1和1.2而不影响其他协议 System.Net.ServicePointManager.SecurityProtocol |= SecurityProtocolType.Tls11 ...

  2. 如果你也用过 struts2.简单介绍下 springMVC 和 struts2 的区别有哪些?

    a.springmvc 的入口是一个 servlet 即前端控制器,而 struts2 入口是一个 filter 过虑器. b.springmvc 是基于方法开发(一个 url 对应一个方法),请求参 ...

  3. ZynqMP PL固件通过U-BOOT从指定位置加载FPGA BIT

    原因 PL固件可能经常修改,而BOOT.BIN和文件系统.内核实际上基本不会变,在一个平台上可以用同一份.如果每次修改都要重新打包PL 固件到BOOT.BIN,操作起来非常麻烦.所以希望PL 的固件可 ...

  4. 效率提升利器:一个在线的.NET源码查询网站

    前言 你是否有这样的苦恼,有时候需要查询.NET中的某个类型.方法.属性或程序集的源代码,但又不想从GitHub中下载源代码.今天大姚分享一个在线且实用的.NET源码查询网站. 在线查询地址 http ...

  5. Python使用Matplotlib画以日期为X轴的图

    Python使用Matplotlib画以日期为X轴的图 步骤: 用pd把字符串格式的日期转成date格式. 使用 AutoDateLocator 设置x轴的属性. 1 from matplotlib ...

  6. Spring5.X bean自动装配Autowire属性

    属性注入 set方法.构造函数.POJO.list.map.ref,属于手工注入,点我直达 Spring自动注入 使用<bean>元素的autowire属性为一个bean定义指定自动装配模 ...

  7. SpringBoot定义异步任务类需要获取结果

    注意点: 要把异步任务封装到类里面,不能直接写到Controller 增加Future<String>返回结果AsyncResult<String>("task执行完 ...

  8. 创建数据库时排序规则utf8_general_ci与utf8_bin的区别

    在MySQL数据库中,字符集(如utf8)定义了字符如何存储,而排序规则(Collation)则定义了字符如何比较.排序和区分大小写.utf8_general_ci和utf8_bin是两种常用的UTF ...

  9. Django集成的密码找回功能

    要实现忘记密码功能,您需要进行以下修改: 添加忘记密码链接到登录页面. 创建密码丢失修改页面. 创建密码修改页面. 编写相应的视图函数来处理密码丢失修改和密码修改逻辑. 编写发送验证信息到邮箱的逻辑. ...

  10. CF479C 题解

    洛谷链接&CF 链接 题目简述 一个人想要安排期末考试的时间. 有 \(n\) 场考试,每场考试有两个时间 \(x_i,y_i\),一个是老师规定的时间,另外一个是他与老师商量好的考试时间. ...