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方法Method

Schur 补与静态凝聚

Schur complement · Static condensation

把内部变量的精确响应折入界面矩阵与右端,推导 Schur 补、恢复公式及最小能量性质,并逐项凝聚五节点链。

形式陈述 ​

一个大型线性系统里,有些未知量只在局部发生作用,真正连接各部分的是较少的界面未知量。能否先把局部变量解掉,只留下它们对界面的影响?

将变量按内部集合 I 与保留集合 B 排列:

(AIIAIBABIABB)(xIxB)=(bIbB).

只要 AII 可逆,第一组方程给出

xI=AII−1(bI−AIBxB).

代回第二组,得到精确约化系统

SxB=g,S=ABB−ABIAII−1AIB,g=bB−ABIAII−1bI.

S 称为关于 AII 的 Schur 补。求出 xB 后,必须用第一式恢复 xI。在有限元中,若 I 是各单元内部、可局部消去的自由度,这个过程称为静态凝聚。B 是算法保留的界面,不必就是物理区域外边界。

这些逆矩阵符号表示线性求解。实际实现先分解 AII,求解

AIIY=AIB,AIIz=bI,

再构造 S=ABB−ABIY 与 g=bB−ABIz。不需要先计算整个逆矩阵。若只需 Sv,还可以依次做 AIBv、一次内部求解与 ABI 乘法,避免显式存储稠密的 S。

直觉

消去内部变量,不是让它们停止工作,而是让它们对每一种界面状态都立即达到平衡。原先界面节点之间可能没有直接连接,却能通过内部节点传递作用;消元后,这条间接通路变成了 S 中的直接耦合。

内部消元、界面求解与恢复

这个过程就是Gaussian 消元的分块形式。以下恒等式同时认证系数更新与变量恢复:

A=(I0ABIAII−1I)(AII00S)(IAII−1AIB0I).

从左到右对应消元所用的乘子、消元后的两块系统及回代耦合。直接相乘,右下块是 ABIAII−1AIB+S=ABB,所以约化并未近似原矩阵。

正定性为何保留 ​

进一步假设 A 为实对称正定矩阵。固定界面向量 y,让内部向量 z 自由变化。配方得到

(zy)TA(zy)=(z+AII−1AIBy)TAII(z+AII−1AIBy)+yTSy.

因此

yTSy=minz(zy)TA(zy),z∗=−AII−1AIBy.

若 y≠0,完整向量 (z∗,y) 非零,其能量严格为正,故 S≻0。这既解释了正定性,也给出“内部取最小能量响应”的物理图像。带右端时,对 12xTAx−bTx 做同样消元,得到 12xBTSxB−gTxB 加一个与 xB 无关的常数;约化右端 g 因而不能省略。

例子与边界

五节点链的完整凝聚 ​

取 A=tridiag(−1,2,−1)∈R5×5,b=(1,1,1,1,1)T,节点编号为 0,1,2,3,4。保留 B=(0,2,4),消去 I=(1,3)。内部两节点不直接相邻,所以 AII=2I2,两个局部求解可独立完成。

两个内部方程是

x1=(1+x0+x2)/2,x3=(1+x2+x4)/2.

把它们代入节点 0,2,4 的方程,得到

S=(3/2−1/20−1/21−1/20−1/23/2),g=(3/223/2).

例如中间保留节点的原方程为 −x1+2x2−x3=1。代入后,对角系数由 2 降为 1,右端由 1 增为 2;这两处改变分别记录内部的柔顺响应与内部载荷。

约化解为

xB=(5/2,9/2,5/2)T.

回代得 x1=x3=4,所以完整解是 (5/2,4,9/2,4,5/2)T。原方程的中间一行检查为 −4+2(9/2)−4=1,端点一行为 2(5/2)−4=1,其余同样成立。

若直接删除内部行列,只解 ABBxB=bB,因 ABB=2I3 会得到 (1/2,1/2,1/2)T。它把通过节点 1,3 的耦合和载荷一并删除,已经换了问题。

可逆整体不保证所选内部块可逆 ​

矩阵 (0110) 可逆,但若把第一变量选作单个内部块,AII=0 无法求解。需要改变分块或采用合适的主元策略。正定假设能保证每个主子块正定;一般非对称或不定系统没有这项便利。

近似内部求解也会改变结论。若每次用不同容差计算 AII−1v,得到的“Schur 乘法”可能不再是同一个线性算子;它不应被当成已精确形成的 S。近似消元可以成为预条件技术,但应另行说明近似误差和外层求解接口。

推论与应用

若内部块为 p×p、界面有 m 个变量,按稠密运算组织,设置成本包括 O(p3) 分解、O(p2m) 多右端求解及 O(pm2) Schur 更新;还要计入求解 m 阶约化系统的成本。凝聚的收益来自许多小型独立内部块,或后续反复复用同一个约化系统,并非“变量少了就免费”。

在稀疏符号分解中,每次消去节点的 Schur 更新会把剩余邻居连接起来。嵌套剖分据此先消去互相分离的内部区域,把最终界面耦合限制在较小分隔器上。

凝聚验收至少检查三件事:约化系数与约化右端来自同一分块;恢复内部变量后原残差 b−Ax 满足精度要求;显式或隐式应用 Schur 补的设置、存储和每次求解成本都有记录。

参考资料
  • NGSolve, “1.4 Static Condensation”, block factorization and full solution recovery:官方教程。内部自由度、凝聚右端与恢复算子。
  • Yousef Saad, Iterative Methods for Sparse Linear Systems, 2nd ed., 2003, §3.6 and Chapter 14:作者公开教材。稀疏消元与子域界面系统。
关系图谱12 个相邻概念 · 2 类关系

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