微扰矩阵的特征向量

计算科学 特征值 迭代法
2021-12-24 05:49:44

假设我知道特征对(ϵi,ϕi)对于矩阵运算符H^H^ϕi=ϵiϕi

现在我有点忐忑 H^=H^+R^被扰动R^相对于小H^(在某种意义上,例如 Frobenius norm ?)。现在我想找到扰动的特征对H^. H^ϕi=ϵiϕi

我希望应该存在一些使用解决方案知识的有效迭代算法H^ϕi=ϵiϕi获得解决方案H^ϕi=ϵiϕi以适度的计算工作量(以 CPU 触发器衡量),特别是如果我使用稀疏矩阵

戴维森方法我搜索的吗?或者,一般来说,我可以使用未扰动哈密顿量的已知解来为Arnoldi / Lancozs迭代构建一些预条件子和初始向量。


背景:

我不是线性代数专家,也不是迭代方法。我只是想通过谷歌搜索来熟悉这个领域。我下载了一些关于 Davidson / Arnoldi / Lanczos 方法的论文,但乍一看,如果它与我的问题相关,即使是非常基本的问题,我也无法提取明确的答案

我还阅读了 wikipage Eigenvalue perturbation,但它与显式数值算法及其计算成本无关。

主要是我感兴趣的情况下H^H^是厄米特(某些量子系统的基态哈密顿量),但为了更一般的理解,我不想限制这种情况的问题。

1个回答

寻找线性算子的特定特征值的最佳策略之一是移位和反转 Lanczos;如果您正在寻找矩阵的特征值A接近价值σ,然后在算子上运行 Lanczos 算法(AσI)1. 该算子的频谱将比A,并且由于 Lanczos 算法非常擅长寻找极端特征值,它会挑选出接近于σ快多了。当然,然后必须解决线性系统AσI, 这可能很昂贵。

在您的情况下,您知道的特征值分解H,因此您可以轻松求解线性系统(HσI)ϕ=f. 对于给定的f, 解决方案ϕ应该相当接近系统的解决方案(HσI)ϕ=f对于扰动的哈密顿量,假设σ不是太大。因此,您可以通过使用来利用您对未受干扰问题的解决方案HσI作为前置条件HσI在 Krylov 子空间方法(例如 MINRES)中,而不是通用且可能更昂贵的方法,例如LDL-分解。

作为一种直截了当的方法,您可以采取σ成为特征值ϵiH; 更好的是,您可以使用量子力学中通常的微扰理论估计ϵi.

如果您正在寻找基态或前几个激发态,此策略通常最有效。我自己没有尝试过戴维森方法,所以我不知道如何应用与移位和反转 Lanczos 相同的推理。这在Yousef Saad的《大特征值问题的数值方法》一书中进行了讨论,这本书(在我看来)是关于这个主题的最佳资源。Saad 在寻找内部特征值方面也做了大量工作,这是一个相当困难的问题。