形式陈述
满足 的矩阵可能很多。若 的谱避开闭负实轴,标量主平方根通过 矩阵函数演算公理库主矩阵函数与 Hermite 插值Primary matrix function · Matrix function by Hermite interpolation用极小多项式规定所需的函数值与导数,经 Hermite 插值定义一般方阵的函数,并区分 primary 与 principal 两种不同的分支要求。给出唯一的主平方根 ,其谱位于开右半平面。Denman–Beavers 迭代同时逼近它和它的逆:
两次更新必须都读取旧的 。 实现时分别解 、,再同时赋值 、。在上述谱条件下,精确运算中的迭代始终有定义,并满足 、。
为什么这对迭代收敛到主根
从初始化出发,所有迭代矩阵都是 的有理函数,彼此交换,并保持 。因此第一条更新也可写成
成对状态 每次应用同一个更新映射;上述谱条件保证初始化轨道始终留在有定义的状态内,因此这是 不动点迭代公理库不动点迭代Fixed-point iteration · Picard iteration把方程改写为不动点问题后反复应用同一映射,并用压缩性控制收敛、误差与停机。的一种具体形式。为了证明它选择正确的根,定义 Cayley 型误差
利用各矩阵交换和 ,直接代数化简得到
若 ,则 。故 ,,并由
得到 。这些式子还说明各次所需逆矩阵存在。进入根的邻域后,误差满足二次上界;某些幂零结构甚至会有限步精确到达,因而不必具有恰为二的渐近阶。这个论证允许非对角化矩阵,因为谱半径小于一仍保证矩阵幂趋于零。
直觉
猜测平方根, 猜测逆平方根。若一个方向被 放大过头,来自 的信息会把它拉回;两条轨道在精确运算中始终保持同一个矩阵函数关系。
图中两条轨道同步前进。横向读数看平方残差是否下降,纵向关系看 是否接近单位矩阵。两个量检查的是不同关系,都值得保留。
例子与边界
非对角矩阵的前两轮
取
的超对角是 。第一轮为
第二轮读取这两个旧矩阵,得到
例如 的超对角为 ,再次验证 。两次残差的 Frobenius 范数如下:
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| 0 |
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| 1 |
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| 2 |
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继续迭代会迅速进入二次收敛阶段。脚本记录每一轮矩阵与残差,而不是只输出最终近似。
零残差不能识别分支
也满足 ,平方残差完全为零;但其特征值为 ,不在开右半平面,因此不是主平方根。若同时令 ,甚至 也成立。必须额外检查主分支条件,不能靠这两个残差自动选根。
若 的谱落在闭负实轴,上面的主分支和收敛定理不再适用。以 为例,第一轮 ,下一轮求逆就失败;它虽在复数上有平方根,却不满足这里的算法假设。
精确收敛不是浮点稳定性的替身
在精确运算中,成对迭代可约化成单矩阵 Newton 形式;浮点下各矩阵不再严格交换,两种实现的误差传播可以不同。直接使用 不能仅凭标量 Newton 的收敛性就宣称稳定。成对或乘积形式及缩放能改善表现,但求解病态、溢出和原问题敏感性仍需单独处理。
这正是 前向与后向误差公理库前向误差与后向误差Forward and backward error分别衡量计算答案离真解多远,以及它能否视为邻近输入问题的精确解。分析要补充的内容:残差衡量方程满足程度,谱分支选择目标,而条件性衡量残差能否可靠代表根的误差。
推论与应用
若近似根写成 ,则
一阶误差由 Sylvester 算子公理库Sylvester 方程与谱分离Sylvester equation刻画 AX−XB=C 对所有右端唯一可解的充要条件,并用非正规矩阵说明特征值间距不能代替 sep 敏感性。 控制。局部误差尺度约为残差除以 ;当该值很小时,平方残差小仍不足以保证根准确。这个关系也给出针对残差的 Newton 校正方程。
每轮成对更新需要两次 右端的线性求解,稠密成本 ,存储 ;总成本还乘以实际迭代轮数。主平方根既是独立计算目标,也是 逆缩放平方对数算法公理库主矩阵对数与逆缩放平方Principal matrix logarithm · Inverse scaling and squaring用谱的主值条带刻画主矩阵对数,展示旋转跨分支切线的跳变,并执行主平方根与 Gauss–Legendre 有理逼近组成的逆缩放算法。的关键步骤。
参考资料
- Nicholas J. Higham and Lijing Lin, Matrix Functions: A Short Course, 2013, §6.9:平方根 Newton 迭代的数值风险、成对及乘积形式。作者版本
- Nicholas J. Higham, “Functions of Matrices,” Handbook of Linear Algebra, 2nd ed., 2014, §17.9:主平方根与 Denman–Beavers 迭代。作者版本