共轭梯度法和基本性质
预处理共轭梯度法
预处理共轭梯度法引言预处理共轭梯度法是一种用于解决线性方程组问题的迭代方法。
它在处理大规模稀疏方程组时表现出色，相比于传统的直接解法更具有高效性和稳定性。
本文将对预处理共轭梯度法进行全面、详细、完整且深入地探讨。
什么是共轭梯度法共轭梯度法是一种迭代优化方法，用于求解对称和正定的线性方程组Ax=b。
它的基本思想是通过找到一组相互”共轭”的搜索方向来加速迭代过程。
预处理共轭梯度法的介绍预处理共轭梯度法是对共轭梯度法的改进和优化。
它通过在每一步迭代中应用预处理矩阵M来加速收敛过程。
预处理矩阵通常是原方程系数矩阵A的逆或近似逆。
预处理共轭梯度法的核心算法可以分为以下几个步骤：步骤1：初始化•设定初始解x0和残差r0=b-Ax0。
•计算初步搜索方向d0=M*r0。
步骤2：迭代计算•对于第k次迭代：–计算步长αk。
–更新解：xk+1 = xk + αk * dk。
–计算新的残差：rk+1 = rk - αk * Adk。
–计算新的搜索方向：dk+1 = Mk+1 * rk+1。
步骤3：收敛判断•判断残差rk+1的范数是否满足收敛条件，若满足则终止迭代。
预处理矩阵的选择预处理矩阵的选择是预处理共轭梯度法的关键。
常见的预处理矩阵选择方法有以下几种：1. 不完全因式分解预处理不完全因式分解预处理是通过对系数矩阵的若干个元素进行保留或丢弃，得到一个近似逆矩阵。
常见的不完全因式分解预处理方法有不完全LU分解、不完全Cholesky分解等。
2. 迭代求解预处理迭代求解预处理方法是通过迭代方法求解预处理矩阵的逆。
常见的迭代求解预处理方法有Jacobi预处理、Gauss-Seidel预处理等。
3. 基于特征值的预处理基于特征值的预处理方法是通过对系数矩阵的特征值进行分析，选择适当的预处理矩阵。
常见的基于特征值的预处理方法有谱条件预处理、谱平滑预处理等。
预处理共轭梯度法的收敛性和稳定性预处理共轭梯度法相比于传统的共轭梯度法在收敛速度和稳定性方面有显著的改进。
共轭梯度法
•基本思想:把共轭性与最速下降法相结合,利用已 知点处的梯度构造一组共轭方向,并沿着这组方 向进行搜索,求出目标函数的极小点
4.4共轭梯度法
先讨论对于二次凸函数的共轭梯度法,考虑问题
min f (x) 1 xT Ax bT x c
3, giT d (i) giT gi (蕴涵d (i) 0)
证明: 显然m1,下用归纳法(对i)证之.
当i 1时,由于d (1) g1,从而3)成立,对i 2时, 关系1)和2)成立,从而3)也成立.
4.4共轭梯度法
设对某个i<m,这些关系均成立,我们证明对于i+1
也成立.先证2),
因此
2 / 3 1 5/ 9
d (2)
1/ 1
3
1 9
2 0
5/9 1
从x(2)出发,沿方向d (2)进行搜索,求步长2,使满足 :
f
( x (1)
2d (1) )
min
0
f
(x(2)
d (2))
2 0
4.4共轭梯度法
显然, d (1)不是目标函数在x(1)处的最速下降方向.
下面,我们用FR法构造两个搜索方向.
从x(1)出发,沿方向d (1)进行搜索,求步长1,使满足 :
f
( x (1)
1d (1) )
min
0
f
( x (1)
d (1) )
得1 2 3
A正定,故x是f(x)的极小值点.
共轭方向与共轭梯度法-最优化方法
f (X1)T P0 0 ，所以 f (X1)T P0 1P1TQ P0 0
P1TQ P0 0
（1）
以上就是搜索方向P1所必须满足的（必要） 条件。这也是使X2是极小点的充分条件。 P1，P2称为关于Q的共轭方向。
讨论表明 对于二维的具有正定矩阵Q的 二次函数f(X),从任一初始点出发，依次沿关 于Q共轭的两个方向进行一维搜索，必可达到 f(X)的无约束精确极小点。
Pk 1
0
且对j 0,1 , k 2, 有
PjT QPk PjT Q f ( X k ) k1Pk1
PjT Qf
(X
k
)
k
PT
1 j
QPk
1
f ( X k )T QPj
f ( X k )T f ( X j1) f ( X j ) j
f ( X k1 ) QX k1 b Q( X k k Pk ) b (2)
f ( X k1 ) f ( X k ) k QPk
所以
f ( X m ) f ( X m1) m1QPm1
f ( X m2 ) m2QPm2 m1QPm1
其中1 是最优步长，1>0 .因为 X * 是无约束极小点。
故 f ( X * ) 0 即 QX * b 0
f (X1) QX1 b
Q( X * 1P1) b (QX * b) 1QP1 1QP1
又因为 X1是f(X)沿P0方向的直线l0上的极小点，故
设 X En ,
,Q为对称正定矩阵，P0，
P1，···，Pm-1是关于Q共轭的m个共轭方向，
4.4共轭方向法4.5 共轭梯度法
序框图如下图所示。
开始
给定 X 0、d0、
k0
X (k 1) X k ak d k ak : min f ( X k ak d k )
k k+1
YES Xk X（k+1）
结束
NO
f (X k1) ＜
提供新的共轭方向
共轭方向 + 精确一维搜索 = 二次终结 设 Z1 ，Z2 ，……Zm 关于正定矩阵A共轭。则从任意初 始点出发 二次型目标函数
2 0
2 9
,
2 T 3
X
2
X1
1d1
2
3
0
2
1
9 2
3
2 3
2 9
1
2 3
1
将 X 2 代入原方程，将 n 维问题化成一维问题。
令 将
(1) 1 代入
0 X2
，解得 1
式得
3 2
。
X
2
2 3
2 9
1
2 3
1
1 1
计算 X 2 点的梯度
g2
f
(
X
2
)
4 0
(0 )
(0 ) 120 4
令 (0 ) 0 ，解得
0
1 3
将
0
1 3
代入
X1
式得
X
1
20
0
2
3
0
将 X 1 代入求梯度公式
g1
f
(
X
1)
3x1 2
x2
x1
x2
x1
2 3
x2 0
0
2
3
0
g1 g0
【实用】共轭梯度法反演PPT资料
我们假设在点X0 处开始沿负梯度方向
蒙特卡洛方法 搜索,到达点X1 ,即
设有一组n 维彼此关于n×n 的正定对称矩阵A共轭的向量
，能够使我们分别沿着这n个共轭向量所指的方向各搜索一
非 统计方法 次,就可以达到极值点 。
为了使搜索能够快速到达极值点选取α使
模拟退火法
为了使搜索能够快速到达极值点选取α使
0 ( Ax k b )T d k 1 ( A ( xk 1 k d k ) b )T d k 1
从而，
k
rkT p k
p
T k
ApBiblioteka k(11)将上式带入 (10) 式可得：
x *
xn
x0
n 1 i0
riT p i
p
T i
Ap
i
di
(12)
*
16
三、共轭梯度法的优缺点
优 分别使用最共 速轭 下梯 降度 法法 和组 解 2 3线 6 2x性 28方 程 点 目标函 :(数 x1,x2为 )-2x13x124x1x28x26x22
性
小值，分0别 .60是 10和 ： 508.76035
P2局部极 小值
P1全局极 小值
*
20
三、共轭梯度法的优缺点
局限性
初始猜测 反演结果 目标函数值 (2,-1) (3.0，0.0) 0.6011 (-2,-1) (-3.0,0.0) 0.7606 (-1.5,0) (-0.0958,0) 0.9932 (4,-1) (3.0，0.0) 0.6011
*
17
三、共轭梯度法的优缺点
计算效率比较
最速下降法
共轭梯度法
*
18
三、共轭梯度法的优缺点
25共轭梯度法
共轭，即 piT Apj 0, i j ,i , j 1,2, ,k。 则称这组方向是关于A共轭的，也称它们是一组A共轭方向。
注：如 果A是 单 位 矩 阵 ， 则
p1T I p2 0 p1T p2 0
p1 p2
§2.5 共轭梯度法
预备知识 最速下降法 共轭梯度法 数值试验算例
21:26
预备知识：内积的定义
I II
方程组问题: 极值问题:
Ax =
min
b
f
(x)
1
xT Ax
bT
x
xRn
设 x, y Rn , 记 ( x , y) = xT y
2
▪( x, y ) = ( y, x ); ▪( tx, y ) = t ( x, y); ▪( x+ y, z ) = ( x, z ) + ( y, z ); ▪( x, x) ≥ 0, 且( x, x) = 0 x = 0;
p(k 1) r (k 1) k p(k )
进行下一次迭代
例：用CG迭代法求解下列方程组: x(0) (0 0 0)T
2 0 1 x1
3
0 1 0 x2 1
1 0 2 x3
3
解： 易验证系数矩阵是对称正定的.
Step1 计算 p(0) r(0) b Ax(0) (3 1 3)T
0
x2 x1
x*
x3
注 最速下降方向反映了目 标函数的一种局部性质。它只是 局部目标函数值下降最快的方向。 最速下降法是线性收敛的算法。
f(x1,x2)=100x12+x22
最速下降法
共轭梯度法详细解读
共轭梯度法详细解读
嘿，朋友们！今天咱就来好好唠唠共轭梯度法。
你想想啊，咱平常解决问题就像走迷宫似的，有时候会在里面转来转去找不到出路，而共轭梯度法呀，就像是在迷宫里给咱指了一条明路！比如说你想找一条最快从山这头到那头的路，共轭梯度法就能帮上大忙啦！
它可不是随随便便就出现的哦，那可是数学家们绞尽脑汁研究出来的宝贝呢！就好比一个超级英雄，专门来打救我们这些在复杂问题里苦苦挣扎的人。
在实际应用里，它可厉害着呢！比如说在工程计算中，要设计一个最完美的结构，共轭梯度法就能迅速算出最优解。
哇塞，这不就相当于有个超厉害的军师在帮咱出谋划策嘛！
你再想想，我们日常生活中很多事情都可以类比成用共轭梯度法来解决问题呀。
比如说你要规划一次旅行，怎么安排路线最合理，不就是在找那个最优的旅行路径嘛，这时候共轭梯度法的思路就能派上用场啦！它就像一个隐藏在幕后的高手，默默地为我们排忧解难。
而且哦，一旦你掌握了它，那种感觉就像是你突然掌握了一种绝世武功，能在各种难题面前游刃有余。
这可太酷了吧！
哎呀呀，共轭梯度法真的是太神奇、太有用啦！大家可一定要好好去了
解它、运用它呀，你绝对会被它的魅力折服的！相信我，没错的！。
共轭梯度法
, k 1 ）
（1）
同样由前一节共轭方向的基本定理有：
T gk di 0
（ i 0,
, k 1 ），（2）
T 再由 g i 与 d i 的关系得： gk gi 0 （ i
0,
i 0,
, k 1 ）
(3)
将（2）与（3）代入（1）得：当 而
i 0 , k 2 时，
第 2次迭代：
5 2 8 T ( 8 , 4 )T ( , ) 18 9 9
g1 (
8 2 16 2 ) ( ) || g1 || 9 9 4 . 0 || g 0 ||2 82 4 2 81
2
8 16 T , ) . ||g1 || 9 9
解：
4 1 f ( x) ( x1 , x2 ) 2 0
0 x1 , 2 x2
4 0 G . 0 2
f ( x) ( 4 x1 , 2 x2 )T .
第1 次迭代：
令
而
d (0) g0 f ( x(0) ) ( 8 , 4 )T ,
一、共轭梯度的构造 （算法设计针对凸二次函数） 设
f ( x)
1 T x Gx bT x c 2
其中 G 为 n n 正定矩阵，则
g ( x) Gx b
对二次函数总有 1）设
gk 1 gk G xk 1 xk k Gdk
，令 x1 x0 0 d0 （ 0 为精确步长因子）
dk 1 f ( xk 1 ) dk
|| f ( xk 1 ) ||2 || f ( xk ) ||2
令k=k+1;返回4.
共轭梯度法实验报告
数值代数实验报告一、实验名称：用共轭梯度法解线性方程组。
二、实验目的：进一步熟悉理解掌握共轭梯度法解法思路，提高matlab 编程能力。
三、实验要求：已知线性方程矩阵，应用共轭梯度法在相关软件编程求解线性方程组的解。
四、实验原理：1．共轭梯度法：考虑线性方程组Ax b =的求解问题，其中A 是给定的n 阶对称正定矩阵，b 是给定的n 维向量，x 是待求解的n 维向量.为此,定义二次泛函()2T T x x Ax b x ϕ=-.定理1 设A 对称正定,求方程组Ax b =的解，等价于求二次泛函()x ϕ的极小值点. 定理1表明，求解线性方程组问题就转化为求二次泛函()x ϕ的极小值点问题.求解二次函数极小值问题，通常好像盲人下山那样，先给定一个初始向量0x ，确定一个下山方向0p ，沿着经过点0x 而方向为0p 的直线00x x p α=+找一个点1000x x p α=+，使得对所有实数α有()()00000x p x p ϕαϕα+≤+，即在这条直线上1x 使()x ϕ达到极小.然后从1x 出发，再确定一个下山的方向1p ，沿着直线11x x p α=+再跨出一步，即找到1α使得()x ϕ在2111x x p α=+达到极小：()()11111x p x p ϕαϕα+≤+.重复此步骤，得到一串012,,,ααα 和 012,,,p p p ，称k p 为搜索方向，k α为步长.一般情况下，先在k x 点找下山方向k p ，再在直线k k x x p α=+上确定步长k α使()(),k k k k k x p x p ϕαϕα+≤+最后求出1k k k k x x p α+=+.然而对不同的搜索方向和步长，得到各种不同的算法.由此，先考虑如何确定k α.设从k x 出发，已经选定下山方向k p .令 ()()k k f x p αϕα=+()()()2TT k k k k k k x p A x p b x p ααα=++-+()22TT k k k k k p Ap r p x ααϕ=-+，其中k k r b Ap =-.由一元函数极值存在的必要条件有()220TT k k k k f p Ap r p αα'=-=所确定的α即为所求步长k α，即 T k kk Tk kr p p Ap α=. 步长确定后，即可算出1k k k k x x p α+=+.此时，只要0T k k r p ≠，就有()()()()1k k k k k k x x x p x ϕϕϕαϕ+-=+-()2220T k k TT k kk k k k Tk kr p p Ap r p p Ap αα=-=-<即()()1k k x x ϕϕ+<.再考虑如何确定下山方向k p .易知负梯度方向是()x ϕ减小最快的方向，但简单分析就会发现负梯度方向只是局部最佳的下山方向，而从整体来看并非最佳.故采用新的方法寻求更好的下山方向——共轭梯度法. 下面给出共轭梯度法的具体计算过程:给定初始向量0x ，第一步仍选用负梯度方向为下山方向，即00p r =，于是有00010001000,,T T r r x x p r b Ax p Ap αα==+=-.对以后各步，例如第k+1步（k ≥1）,下山方向不再取k r ，而是在过点由向量k r 和1k p -所张成的二维平面21{|,,}k k k x x x r p R πξηξη-==++∈内找出使函数ϕ下降最快的方向作为新的下山方向k p .考虑ϕ在2π上的限制：()1,()k k k x r p ψξηϕξη-=++11()()T k k k k k k x r p A x r p ξηξη--=++++12()T k k k b x r p ξη--++. 计算ψ关于,ξη的偏导得： ()()11112,2,T T T k k k k k kT T k k k k r Ar r Ap r r r Ap p Ap ψξηξψξηη----∂=+-∂∂=+∂其中最后一式用到了10T k k r p -=，这可由k r 的定义直接验证.令 0ψψξη∂∂==∂∂， 即知ϕ在2π内有唯一的极小值点001k k k x x r p ξη-=++，其中0ξ和0η满足 00101011,0.T T T k k k k k k T Tk k k k r Ar r Ap r r r Ap p Ap ξηξη----⎧+=⎨+=⎩由于0k r ≠必有00ξ≠，所以可取()01001k k k k p x x r p ηξξ-=-=+作为新的下山方向.显然，这是在平面2π内可得的最佳下山方向.令010k ηβξ-=，则可得1111.T k k k T k k r Ap p Ap β----=-注：这样确定的k p 满足10Tkk p Ap -=，即k p 与1k p -是相互共轭的. 总结上面的讨论，可得如下的计算公式：T k kk Tk kr p p Ap α= ， 1k k k k x x p α+=+， 11k k r b Ax ++=-，1T k kk Tk kr Ap p Ap β+=-， 11k k k k p r p β++=+. 在实际计算中，常将上述公式进一步简化，从而得到一个形式上更为简单而且对称的计算公式.首先来简化1k r +的计算公式：11()k k k k k k k k r b Ax b A x p r Ap αα++=-=-+=-.因为k Ap 在计算k α是已经求出，所以计算1k r +时可以不必将1k x +代入方程计算，而是从递推关系1k k k r b Ap α+=-得到.再来简化k α和k β的计算公式.此处需要用到关系式1110,T T T k k k k k k r r r p r p +-+=== 1,2,k =.从而可导出1111,T T k k k k r r r α+++=-， ()111TT T k k k k k k k k k p Ap p r r p r αα+=-=()1111T Tk k k k k k k kr r p r r βαα--=+=.由此可得,T k k k T k k r r p Ap α=， 11.T k k k T k kr r r r β++=.从而有求解对称正定方程组的共轭梯度法算法如下：0x =初值00r b Ax =-；0k =while 0k r ≠1k k =+ if 1k = 00p r =else21122T T k k k k k r r r r β-----= 1122k k k k p r p β----=+ end11111T Tk k k k k r r p Ap α-----=111k k k k x x p α---=+111k k k k r r Ap α---=-endk x x =注：该算法每迭代一次仅需要使用系数矩阵A 做一次矩阵向量积运算. 定理2 由共轭梯度法得到的向量组{}i r 和{}i p 具有如下基本性质： （1）0T i j p r =， 0;i j k ≤<≤ （2）0T i j r r =， i j ≠，0,;i j k ≤≤ （3）0T i j p Ap =， i j ≠，0,;i j k ≤≤ （4）000{,,}{,,}(,,1)k k span r r span p p A r k κ==+，其中0000(,,1){,,,}k A r k span r Ar A r κ+=，通常称之为Krylov 子空间.下面给出共轭梯度法全局最优性定理：定理3 用共轭梯度法计算得到的近似解k x 满足()(){}00min :(,,)k x x x x A r k ϕϕκ=∈+或{}**00min :(,,)k AAx x x x x x A r k κ-=-∈+，其中Ax=*x 是方程组Ax b =的解，0(,,)A r k κ是由所定义的Krylov 子空间. 定理2表明，向量组0,,k r r 和0,,k p p 分别是Krylov 子空间0(,,1)A r k κ+的正交基和共轭正交基.由此可知，共轭梯度法最多n 步便可得到方程组的解*x .因此，理论上来讲，共轭梯度法是直接法.然而实际使用时，由于误差的出现，使k r 之间的正交性很快损失，以致于其有限步终止性已不再成立.此外，在实际应用共轭梯度法时，由于一般n 很大，以至于迭代()O n 次所耗费的计算时间就已经使用户无法接受了.因此，实际上将共轭梯度法作为一种迭代法使用，而且通常是k r 是否已经很小及迭代次数是否已经达到最大允许的迭代次数max k 来终止迭代.从而得到解对称正定线性方程组的实用共轭梯度法，其算法如下：x =初值0;k =;r b Ax =-T r r ρ=while)()max2band k kε><1k k =+if 1k = p r = else;p r p βρρβ==+ end;;T Ap p x x p ωαρωα===+ ;;T r r r r αωρρρ=-== end算法中，系数矩阵A 的作用仅仅是用来由已知向量p 产生向量Ap ω=，这不仅可以充分利用A 的稀疏性，而且对某些提供矩阵A 较为困难而由已知向量p 产生向量Ap ω=又十分方便的应用问题是十分有益的。
共轭梯度法
3. 算法的 MATLAB 实现
在 MATLAB 中编程实现的共轭梯度法函数为： min GETD 功能：用共轭梯度法求解多维函数的极值。
调用格式： [ x, min f ] min GETD( f , x0, var, eps) 其中， f ：目标函数；
x0 ：初始点； ：自变量向量； var x ：目标函数取最小值时的自变量值；
（6） 若 k 1 n ，令 x(0) x( n ) ，转步骤（3） ，否则转步骤（7） ；
（7） 令 p
( k 1)
f ( x
( k 1)
) k p
(k )
， k
f ( x ( k 1) ) f ( x )
(k )
2 2
， 置 k k 1， 转步骤 （4） 。
t 0
(k ) ( k ) （4） 用 一 维 搜 索 法 求 t k ， 使 得 f ( x kt p ) m i n f
( ) 5； x( k 1 ) x k( ) kt p k，转步骤
k( ) x
) 令， tk p( ，
（5） 若 f ( x
( k 1)
) ，停止，极小值点为 x ( k 1) ，否则转步骤（6） ；
1 f ( X ) d1 + x1 -x1* 2 1 =d1 + x1 -x1* 2
2
*
2
1 d1 a x1 -x1* 2
2b x1 -x1*
x -x c x -x
2
2b x1 -x1*
最优化方法3-5共轭梯度法和共轭方向法
算法 3.5.1
设目标函数为 f (x) 1 xTGx bT x c，其中G 正定。 2
给定控制误差 。
Step1. 给定初始点 x0及初始下降方向 p0，令k 0。
Step2. 作精确一维搜索，求步长k
f
( xk
k
pk )
min
0
f
( xk
pk
)
Step3. 令 xk1 xk k pk 。
称 Fletcher-Reeves 公式，简称 FR 公式。
k 1
gkT Gpk1 pkT1Gpk 1
Gpk 1
1
k 1
(gk
g
k 1 ) ，
gkT Gpk1
1
k 1
gkT
(gk
g
k 1)
，
pkT1Gpk 1
1
k 1
(g
k1 k2
pk2 )T
(gk
g
k 1)
1
k 1
g
g T
k 1 k
1
（2）Polak-Ribiere-Polyak 公式
故
k 1
g
T k
(
gk
g
k 1)
gkT1gk 1
此式是 Polak 和 Ribiere 以及 Polyak 分别于 1969
年提出的，故称 Polak-Ribiere-Polyak 公式，简称 PRP
0，i
1,2,L
,k
(ii) xk1是二次函数在k 维超平面Hk 上的极小点。
证明 由引理 3.5.2，只需证明(i)，
共轭梯度法总结
共轭梯度法（Conjugate Gradient Method）总结1. 引言共轭梯度法是一种用于求解线性方程组或优化问题的迭代算法。
它在大规模问题上具有较高的效率和收敛速度，并且不需要存储完整的矩阵。
共轭梯度法最早由Hestenes和Stiefel于1952年提出，后来经过多次改进和推广，成为求解稀疏线性方程组和优化问题的重要工具。
2. 基本原理共轭梯度法的基本思想是利用共轭方向的性质，通过一系列迭代来逼近最优解。
对于一个对称正定矩阵A和一个向量b，我们希望找到一个向量x使得Ax=b成立。
通过引入残差r=b-Ax，我们可以将问题转化为求解残差最小化的问题。
定义两个向量d和g满足以下关系：d_i^TAd_j=0 (i≠j)，则称d_i与d_j是关于矩阵A共轭的。
在每次迭代中，选择与之前所有搜索方向都共轭的搜索方向，并沿着该方向进行搜索。
3. 算法流程步骤1：初始化给定初始解x_0，计算初始残差r_0=b-Ax_0，并令搜索方向d_0等于r_0。
步骤2：迭代重复以下步骤直到满足收敛条件： - 计算当前搜索方向的梯度g_k=Ad_k。
- 计算步长alpha_k=r_k Tr_k/(d_k TAd_k)。
- 更新解x_{k+1}=x_k+alpha_k d_k。
- 更新残差r_{k+1}=r_k-alpha_k Ad_k。
- 计算新的搜索方向d_{k+1}=r_{k+1}+beta_{k+1}d_k，其中beta_{k+1}=r_{k+1}^T r_{k+1}/(r_k^T*r_k)。
步骤3：输出结果返回近似解x。
4. 关键观点和发现共轭梯度法具有以下几个关键观点和发现： - 共轭方向的选择：在每次迭代中，选择与之前所有搜索方向都共轭的搜索方向。
这样可以保证每次迭代都能沿着一个新的、不再相关的搜索方向前进，从而避免了无谓的震荡和重复计算。
- 最优解性质：对于一个n维问题，共轭梯度法最多需要n步就可以达到最优解，即解决了一个n维线性方程组的问题。
共轭梯度法
共轭梯度法共轭梯度法(also known as Pearson-Newman gradient method)是电化学反应动力学中一种很有用的技术，主要应用于分析化学、环境工程、农药学、微生物学等领域。
用共轭梯度法时，以活性高的配体替代催化剂上的固定配体(一般为固定相)，使原来的催化剂仍能发挥作用，但具有选择性更好、灵敏度更高、应用范围更广的特点，同时能降低毒性和提高催化活性，还可改善催化剂的稳定性。
共轭梯度法(reaction-coordinate density technique，缩写为coAPD)，是由美国著名的电化学家S.C.R.（赫维斯特）于1976年提出的，最早是应用于考察水溶液中蛋白质在二级胺诱导下的变性行为。
后来，此方法被用于研究Cu(I)-Zn(II)氧化偶联反应，可用于测定其它一些金属离子。
它能够选择性地催化多种反应，并且操作简便，灵敏度高，催化效率高。
它与同样是基于电极过程机理的原位催化比较，在原理上具有优越性。
对于活性组分分子内部的小的不均匀结构，可以采用共轭梯度法实现更精确的测量。
在这个技术中，如果采用共轭体系，一般可以考虑将其作为一个三电子体系，而与电子得失的量子化运动相联系，即以共振状态作为激发条件。
因此，实验装置也称之为共振极限溶剂。
目前，已经开发了一些共轭体系，其中主要包括共轭二烯体系、共轭异戊二烯体系、共轭二炔体系等。
根据不同的选择性要求，又可将它们划分成几类：双齿配体系列、共轭乙炔体系列、共轭苯炔体系列、共轭乙烯体系列、共轭苯乙炔体系列、双烯类配体系列。
由于选择性较高，该技术广泛用于化学反应机理及反应产物分析。
特别是随着计算机技术的迅速发展，其应用更加广泛。
例如，在定量方面，可以在很短的时间内给出定量结果，可以很快地绘制出实验曲线或计算出数据。
在这个技术中，反应机理以原子轨道理论为基础。
根据反应机理，按照共振条件进行合理的实验设计，通过电化学反应测定反应的产物或催化剂的量，并绘制电位-时间图，即可达到定性、定量的目的。
共轭梯度法 计算化学
共轭梯度法计算化学
共轭梯度法是一种常用于求解线性方程组的迭代方法，也可以用于计算化学中的一些问题。
在计算化学中，共轭梯度法常用于求解分子结构优化、能量最小化、电子结构计算等问题。
其中最常见的应用是求解非常大的线性方程组，如Hartree-Fock方程，即通过求解一个自洽的线性方程组来得到分子的基态电子结构。
共轭梯度法利用了线性方程组的特殊性质，通过迭代计算逼近线性方程组的解。
它不需要事先知道线性方程组的解的精确形式，只需要知道线性方程组的系数矩阵和右端向量。
在每一次迭代中，共轭梯度法利用之前的迭代结果和当前的残差信息来计算一个新的搜索方向，从而逼近解的位置。
通过多次迭代，共轭梯度法可以逐渐接近线性方程组的解。
在化学计算中，尤其是量子化学计算中，共轭梯度法经常用于求解大型稠密矩阵的特征值问题。
这些问题通常涉及求解特征方程，得到能量的本征值和本征函数。
共轭梯度法的迭代性质使得它非常适合处理大型稠密矩阵的特征值计算问题，因为它只需要存储和计算与当前解和残差相关的信息，而不需要存储和计算整个矩阵。
总之，共轭梯度法是一种非常有效的迭代方法，可以用于求解线性方程组以及一些涉及大型矩阵的计算化学问题。
在实际应用中，共轭梯度法经常与其他优化算法结合使用，以获得更高效、更准确的结果。
共轭梯度法
最速下降法1.最速下降方向函数f(x)在点x处沿方向d的变化率可用方向导数来表示。
对于可微函数，方向导数等于梯度与方向的内积，即：Df(x;d) = ▽f(x)T d,因此，求函数f(x)在点x处的下降最快的方向，可归结为求解下列非线性规划：min ▽f(x)T ds.t. ||d|| ≤ 1当 d = -▽f(x) / ||▽f(x)||时等号成立。
因此，在点x处沿上式所定义的方向变化率最小，即负梯度方向为最速下降方向。
2.最速下降算法最速下降法的迭代公式是x(k+1) = x(k) + λk d(k) ,其中d(k)是从x(k)出发的搜索方向，这里取在x(k)处的最速下降方向，即d = -▽f(x(k)).λk是从x(k)出发沿方向d(k)进行一维搜索的步长，即λk满足f(x(k) + λk d(k)) = min f(x(k)+λd(k)) (λ≥0).计算步骤如下：(1)给定初点x(1) ∈ R n，允许误差ε> 0，置k = 1。
(2)计算搜索方向d = -▽f(x(k))。
(3)若||d(k)|| ≤ε，则停止计算；否则，从x(k)出发，沿d(k)进行一维搜索，求λk，使f(x(k) + λk d(k)) = min f(x(k)+λd(k)) (λ≥0).(4)令x(k+1) = x(k) + λk d(k)，置k = k + 1，转步骤(2)。
共轭梯度法1.共轭方向无约束问题最优化方法的核心问题是选择搜索方向。
以正定二次函数为例，来观察两个方向关于矩阵Ａ共轭的几何意义。
设有二次函数：f(x) = 1/2 (x - x*)T A(x - x*) ,其中A是n×n对称正定矩阵，x*是一个定点，函数f(x)的等值面1/2 (x - x*)T A(x - x*) = c是以x*为中心的椭球面，由于▽f(x*) = A(x - x*) = 0，A正定，因此x*是f(x)的极小点。
线性方程组的共轭梯度法
迭代过程
计算方程组的雅可比矩阵A和右端项b，得到线性方程组Ax=b。 计算初始残差r0=b-Ax0。 进行迭代，对于k=0,1,2,...,max_iter，执行以下步骤
迭代过程
01
1. 计算搜索方向pk=-Ak^T。
02
2. 在搜索方向pk上进行线搜索，找到步长λk，使得 Axk+1=b-λk*r^k最小化。
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定义
线性方程组是由一组线性方程组成的 数学模型，其中包含未知数和已知数。
分类
根据方程的系数矩阵和常数项矩阵， 线性方程组可以分为多种类型，如超 定方程组、欠定方程组和恰定方程组。
线性方程组的求解方法
直接法
通过消元或迭代等方法将方程组化为标准形式，然后 求解。
迭代法
通过不断迭代更新解的近似值，逐步逼近方程的解。
在金融工程中的应用
投资组合优化
共轭梯度法可以用于求解投资组合优化问题 ，以最大化投资收益或最小化风险。
期权定价
在期权定价模型中，共轭梯度法可以用于求解 Black-Scholes方程，以得到期权的合理价格。
风险管理
在风险管理方面，共轭梯度法可以用于求解 风险评估模型中的最优化问题，以评估和管 理金融风险。
解效率。
02
常用的预处理方法包括对角占优预处理、不完全LU
分解预处理等。
03
预处理技术可以消除原始方程组中的病态条件，降低
数值误差的放大效应。
自适应步长调整策略
自适应步长调整策略可以根据上 一步的搜索结果动态调整步长， 提高算法的稳定性和收敛速度。
常见的自适应步长调整策略包括 Armijo线搜索、Goldstein线搜
科学计算
共轭梯度法最简明解释
共轭梯度法最简明解释
嘿，你知道啥是共轭梯度法不？这玩意儿可神奇啦！就好比你在一
个迷宫里找出口，有好多条路可以走。
共轭梯度法呢，就是一种找到最优解的方法。
想象一下，你要去山
顶看最美的风景，但是山有很多坡，你得选择最合适的路往上爬。
比
如说你一开始随便选了一条路走，走着走着发现不太对，那咋办？这
时候共轭梯度法就发挥作用啦！它会帮你调整方向，让你更接近山顶。
我给你举个例子哈，就像你要减肥，你试过各种方法，节食啦，运
动啦。
那共轭梯度法就像是有个智慧的教练在旁边，告诉你啥时候该
多吃点，啥时候该加大运动量，让你能最快地达到减肥的目标。
它不是那种死板的方法，而是很灵活的。
比如说在解决一个复杂的
问题时，它会根据实际情况不断调整策略。
这多厉害呀！
咱再想想，要是没有共轭梯度法，那得多费劲呀！就像你在黑夜里
没有手电筒，摸黑走路，多容易摔跤呀！
共轭梯度法真的是数学和科学领域的一个大宝贝！它能让很多难题
变得简单起来，能帮我们更快地找到答案。
我觉得吧，共轭梯度法就像是一把神奇的钥匙，能打开很多知识和
技术的大门，让我们看到更广阔的世界！你说是不是？。
共轭梯度法
共轭梯度法对于任意形式的目标函数()f X ，在极值点*X 附近展开成泰勒级数，且取前三项，有()()()****2**1()...2TT f X f Xf X X X X X f X X X ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤≈+∇-+-∇-⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦因在极值点*X 处()*0f X ∇=，而()2**()f X H X ∇=为()f X 在*X 的二阶偏导数矩阵，即Hessian 矩阵，故()****1().().2T f X f X X X H X X X ⎡⎤⎡⎤≈+--⎣⎦⎣⎦ 对于二次函数来说，若令()()()2*2*2*221122,,f X f X f X a b c x x x x ∂∂∂===∂∂∂∂则()**1(),a b H X f X d b c ⎡⎤==⎢⎥⎣⎦而—常数 则，得到()()()()()()()()()()()()()()11221212121122*1**112*2**12**112**1222****11122-1()+--2---1=+--2--1-2---2x x a b f X d x x x x b c x x a x x b x x d x x x x b x x c x x d a x x b x x x x c x x ⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎡⎤≈⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎡⎤+⎢⎥⎡⎤⎣⎦⎢⎥+⎣⎦⎡⎤=+++⎢⎥⎣⎦由上式可知，当12*1**2x x X X x x ⎡⎤⎡⎤===⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦时，得到目标函数的极小值()*1()f X f X d ==，当22(),,...f X d d =时，则有等值线族。
令2()f X d =，代入上式，则有()()()()112222****2111221()-2---2f X d d a x x b x x x x c x x ⎡⎤=≈+++⎢⎥⎣⎦所以目标函数()f X 在*X 点附近的等值线方程为()()()()112222****1122-2---0a x x b x x x x c x x d +++=式中，122()d d d =-=常数。
共轭梯度法
又称共轭斜量法，是解线性代数方程组和非线性方程组的一种数值方法，例如对线性代数方程组A尣＝ƒ, (1)式中A为n阶矩阵，尣和ƒ为n维列向量,当A对称正定时,可以证明求(1)的解尣*和求二次泛函(2)的极小值问题是等价的。
此处(尣,у)表示向量尣和у的内积。
由此，给定了初始向量尣，按某一方向去求(2)取极小值的点尣,就得到下一个迭代值尣,再由尣出发，求尣等等，这样来逼近尣*。
若取求极小值的方向为F在尣(k＝1,2,…)处的负梯度方向就是所谓最速下降法，然而理论和实际计算表明这个方法的收敛速度较慢，共轭梯度法则是在尣处的梯度方向r和这一步的修正方向p所构成的二维平面内，寻找使F减小最快的方向作为下一步的修正方向,即求极小值的方向p（其第一步仍取负梯度方向）。
计算公式为再逐次计算(k=1,2,…)。
可以证明当i≠j时，从而p,p形成一共轭向量组;r,r,…形成一正交向量组。
后者说明若没有舍入误差的话，至多n次迭代就可得到(1)的精确解。
然而在实际计算中,一般都有舍入误差，所以r,r,…并不真正互相正交，而尣尣,…等也只是逐步逼近(1)的真解,故一般将共轭梯度法作为迭代法来使用。
近来在解方程组(1)时,常将共轭梯度法同其他一些迭代法结合作用。
特别是对病态方程组这种方法往往能收到比较显著的效果。
其方法是选取一对称正定矩阵 B并进行三角分解，得B=LL T。
将方程组(1)化为hу＝b, (3)此处y＝l T尣,b＝l-1ƒ,h＝l-1Al-T,而。
再对(3)用共轭梯度法，计算公式为(k=0,1,2,…)适当选取B，当B 很接近A时，h的条件数较之A大大减小,从而可使共轭梯度法的收敛速度大为加快，由一些迭代法的矩阵分裂A=M -N，可选取M 为这里的B，例如对称超松弛迭代(SSOR)，强隐式迭代(SIP)等,这类方法常称为广义共轭梯度法或预条件共轭梯度法，它也可用于解代数特征值问题。
势函数的一种二阶偏微分方程。
matlab共轭梯度法求解方程组
主题：matlab共轭梯度法求解方程组近年来，随着科学技术的不断发展，数学建模和计算机仿真成为科学研究和工程技术领域的重要手段。
在实际应用中，我们常常需要解决线性方程组的求解问题，而共轭梯度法作为一种高效的迭代求解方法，广泛应用于信号处理、图像处理、地球物理勘探和优化问题等领域。
本文将介绍如何利用matlab中的共轭梯度法求解线性方程组的基本原理和实际操作方法。
1. 共轭梯度法的基本原理共轭梯度法是一种迭代法，用于求解对称正定线性方程组Ax=b。
该方法的核心思想是通过一系列的迭代操作，逐步逼近方程组的解，直到满足一定的精度要求。
在每一步迭代中，共轭梯度法利用残差和方向向量的共轭性质，不断寻找最优的步长，从而实现方程组的求解。
2. matlab中共轭梯度法的基本调用方法在matlab中，调用共轭梯度法求解线性方程组非常简单。
需要将方程组的系数矩阵A和右端向量b输入到matlab中，然后利用内置函数conjugateGradient进行求解。
具体的调用方法如下：x = conjugateGradient(A, b, x0, maxIter, tol)其中，A为系数矩阵，b为右端向量，x0为初始解向量，maxIter为最大迭代次数，tol为精度要求。
调用完毕后，matlab将返回方程组的近似解x。
3. 共轭梯度法在实际工程中的应用共轭梯度法作为一种高效的求解方法，在工程技术领域得到了广泛的应用。
以图像处理为例，图像处理中经常需要解决大规模的线性方程组，而共轭梯度法能够高效地求解这类问题，提高了图像处理算法的效率和稳定性。
另外，在地球物理勘探中，共轭梯度法也被广泛应用于三维数据的快速处理和解释。
可以说，共轭梯度法在实际工程中发挥着重要的作用。
4. 共轭梯度法的优缺点分析尽管共轭梯度法具有非常高的效率和稳定性，但是该方法也存在一些缺点。
该方法只适用于对称正定的线性方程组，对于一般的线性方程组并不适用。
共轭梯度法的收敛速度受到方程条件数的影响，对于病态问题，可能收敛速度较慢。
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共轭梯度法及其基本性质预备知识定义1设吐竺是对称正定矩阵。
称回凹是A-共轭的，是指況如=0, Pl Ap^ > o p p^Apy >0性质1设有怡久…化⑶s )l 是彼此共轭的即维向量，即则鬥心諾一定是线性无关的［证明］若有一组数1% ■…心討满足则对一切P=°」旳一定有是线性无关的.性质2 设向量国"弧…厨諾是线性无关的向量组,则可通过它们的线性组合得出一组向量 冋丿“…护討，而|円貯，…申詞是两两共轭的.［证明］我们用构造法来证实上面的结论.T_注意到腕弘由此得出:Cfj = O.j即所有的区1=0 .因此，%珂十…+ %P 純^ = Pi + ・・・ +=应住;^Pi r容易验证：列…&胡符合性质2的要求.性质3设1%几…护』是两两A —共轭的，怜已必 是任意指定的向量，那么 从囲出发，逐次沿方向 应1「…化|搜索求际/加-能旬的极小值，所得序列k"i ，满足：［证明］由下山算法可知，从 二出发，沿2方向搜索，获得从而取 Pl 二 El +%弘Jt-iZ =心+乞碍耳，id性质4设 兀乃；匚几-』是两两A 共轭的，则从任意指定的注門出发，依次 沿弘山「'"MI 搜索，所得序列kJz 满足：(1)(2) 或，其中曰是方程组(5.1.1)的解.［证明］(1)是性质3的直接推论，显然成立.(2)由于是两两A 共轭的,故血“，…申”11是线性无关的.所 以对于向量卜一咄可用…申』线性表出，即存在一组数Rof ■经J 使，得出F] P\由于于是，再由得出M-l木=心+乞爲P于是 ---------- 旦 ---- ，与得出 也旦一样地，我们可以陆续得出:对比区］和的表达式可知，I©二兀证明完毕性质4是性质3的直接推论.但它给出了一种求（5 . 1. 1）的算法，这种 算法称之为共轭方向法•结合性质2,我们可以得到如下的性质5.性质5设 陽卧…是丽上的一组线性无关的向量，则从任意指定的S2:计算显然:根据性质4可知，不论采用什么方法，只要能够构造 个两两A 共轭的向量作为搜索方向，从任一初始向量出发，依次沿两两A 共轭的方向进行搜索， 经門 步迭代后，便可得到正定方程组匡可的解.nM-l -T A久一1如一，得出 心二 U+ 计算 出发，按以下迭代产生的序列®二环+%肌.-------------------------------------------------- ?，得出应二咼+冏輕I;如此进行下去，直到第n 步:(521 )共轭梯度法算法步骤如下:［预置步］任意 如三兰I ,计算并令取：肚込J 指定算法终 止常数置肛=D |,讲入主步;［主步］(1)如果%终止算法，输出丈列；否则下行;上rL^Apj, r(3) 计算:(4) 置出弓丘可，转入(1)定理5 .2.1由共轭梯度法得到的向量组丄和二具有如下性质:［证明］用归纳法•当时，因为(2)计算:Po 二巾” h 二円二G+A J F U---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ?卩詁=耐广1 = M （% - %期0）=币6 —Cfp；山刊=5= 01 +几巩）孑禺=X占心-因此定理的结论成立.现在假设定理的结论对冋成立，我们来证明其对曰也成立.利用等式n】二G 一及归纳假设，有P訂如二於％- %云旳\二0 OWi三上1.又由于故定理的结论（1）对比+ 1|成立.利用归纳假定有如毗•・・・/』=零诚％ TvPtK而由（1）所证知，二与上述子空间正交，从而有定理的结论（2）对 __ 也成立.利用等式p如二厂屏1+久刃|和二疗.丐母）并利用归纳法假定和（2）所证之结论，就有=丄咕仮一加）+屁分如「心CU…上-1成立；而由円的定义得这样，定理的结论（3）对U也成立.由归纳法假定知进而再注意到（2）和（3）所证的结论表明，向量组hf 宀j和”"戸“1'"险1 都是线性无关的，因此定理的结论（4）对匸U同样成立.定理证毕定理521表明，向量「「引和|弘，W「珂|分别是Krylov子空间空如匕也的正交基和共轭正交基.由此可见，共轭梯度法最多明步便可得到方程组的解二.因此，理论上来讲，共轭梯度法是直接法.定理5.2.2 用共轭梯度法计算得到的近似解U满足义的Krylov子空间.证明注意到:”⑶斗疋也=広一忌）。
仗一叭）L则（5.2.2 ）和（523）是等价的，因此我们下面只证明（5.2.3）成立.假定共轭梯度法计算到囚步出现亡q,那么有=心十％Po+%Pi +…+场此外，对计算过程中的任一步S,有“二％ +珂戸Q +・・・+0£—戸1 E可+忙（&如妨设匡］是属于皿+xCVoQ」的任一向量，贝q由定理5.2.1的（4）知，罔可以表示为兀=%+氏珂+ CP] +・・・+畑％1----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ?于是凡一工二（珂一旳）肌+ （內一班）丹+…+ 9—-抡7 ）戸辰1 +勺尸上+…+空刈刃-】r 回＞』二：xez0+ 心订）｝(52 2)其中(52 3)闵L二、圧匚1 pg是方程组斫引的解，是由（5.2.1 ）所定心一耳二空丘严Jt+・・・ +丐“尹再利用定理521的（3）就可以推出二||（茂o —打）卩0+…+〔Q JW从而，我们得到如下实用的共轭梯度算法:止常数止也，置肌也，进入主步;于是定理得证.二I st * 叫11(定理证毕由定理5.2.1 ,我们容易得出rui4^jt -—圧心 -^L-i) - Vdl+i ，由此可得(524)另外，从理论上讲，该迭代法经 已次迭代，便能得到精确解•但考虑到计算误差，可以作为无限迭代算法进行计算，直到IK < £ 为止.［预置步］ 任意，计算q 二占一 乂珂，并令取:指定算法终［主步］（1）计算:~~r~A — ‘二盂上 +戸■如(2)如果血也，转入(3).否则，终止算法，输出计算结果£跟产g+z?s ；(3)计算:(4)置限二丘十1|，转入(1)注：在算法［主步］中，弓I入变量卜二令'』，P = 及P二圧旳叙|,可以简化计算。
结合程序设计的特点，共轭梯度法可改为如下实用形式:算法5・3・1 (解对称正定方程组：实用共轭梯度法)while » 耳 1J and 卜 * 也）1elseendend共轭梯度法作为一种实用的迭代法，它主要有下面的优点:算法中，系数矩阵A的作用仅仅是用来由已知向量—产生向量iE三迦］，这不仅可充分利用A的稀疏性，而且对某些提供矩阵A 较为困难而由已知向量円产生向量M二血|又十分方便的应用问题是很有益的；不需要预先估计任何参数就可以计算，这一点不像SOR等；每次迭代所需的计算，主要是向量之间的运算，便于并行化523收敛性分析将共轭梯度法作为一种迭代法，它的收敛性怎样呢？这是本节下面主要讨论的问题：定理5 23 如果出=』+刃而且忖朋国三二1,则共轭梯度法至多迭代匚£0步即可得到方程组的精确解。
证明注意到W沽⑻"蕴含着子空间的维数不会超过卜+11，由定理5 .2.1即知定理的结论成立定理证毕定理5 • 2 • 3表明，若线性方程组(5 • 1 • 1 )的系数矩阵与单位相关一个秩□的矩阵，而且□很小时，则共轭梯度法将会收敛得很快。
定理5 • 2 • 4用共轭梯度法求得的丄有如下的误差估计(5 -2 -5)证明 由定理5 • 2 • 1可知，对任意的产巩儿巾崗|,有=卫‘（虫心-占两）十僅石丄巾+口匂力‘6 H —十負屈丄%0）=£ “心+张扣口 +亞显％ "I 4%川％）=J 4-1（2 + %£+% 才 4 细川*所有常数项为1的次数不超过訂的实系数多项式的全体，则由定理5・2・2和引理5 • 1 • 1得A4 —至IL 二mint ］" —恥IL r 已九 十K （几®对］ =戸渕 片九〔测L =舲恢"）川让 兰禺腊X® Mm 兰成髦般K 训氐f其中°-人…喳心—E 是国］的特征值。
由Chebyshev 多项式逼近定理及Chebyshev 多项式的性质，定义在［-1 , 1］区间上的二次Chebyshev 多项式： 空二竺竺凹是所有常数项为1的次数不超过囤的实系数多项式中，在［-1 ,1］上与“0”的偏差值最小的多项式。
且偏差值为1,对应的交错点组为：阳=cos — j = 0丄上________ 匸 ____ _____ 。
因此，多项式 越-町十乐叭 十牛2/心十…十讣诵戸丘⑷=1十另i-l，则 是常数项为1的囤 次实系数多项式。
令二为& +*2—24.儿—」是回中在应上与“0”的偏差值最小的多项式。
即a<i<b于是，我们有因此，定理得证定理证毕虽然定理5 • 2• 5所给出的估计是十分粗糙的，而且实际计算时其收敛速度往往要比这个估计快得多，但是它却提示了共轭梯度法的一个重要的性质：只要线性方程组(5 • 1 • 1)的系数矩阵是十分良态的(即应可)，则共轭梯度法就会收敛的很快。