We derive the Alternating-Direction Implicit (ADI) method based on a commuting operator split and apply the results to the continuous time algebraic Lyapunov equation with low-rank constant term and approximate solution. Previously, it has been mandatory to start the low-rank ADI (LR-ADI) with an all-zero initial value. Our approach retains the known efficient iteration schemes of low-rank increments and residual to arbitrary low-rank initial values for the LR-ADI method. We further generalize some of the known properties of the LR-ADI for Lyapunov equations to larger classes of algorithms or problems. We investigate the performance of arbitrary initial values using two outer iterations in which LR-ADI is typically called. First, we solve an algebraic Riccati equation with the Newton method. Second, we solve a differential Riccati equation with a first-order Rosenbrock method. Numerical experiments confirm that the proposed new initial value of the alternating-directions implicit (ADI) can lead to a significant reduction in the total number of ADI steps, while also showing a 17% and 8x speed-up over the zero initial value for the two equation types, respectively.


翻译:基于交换算子分裂,我们推导了交替方向隐式(ADI)方法,并将结果应用于具有低秩常数项和近似解的连续时间代数Lyapunov方程。以往,低秩ADI(LR-ADI)必须从全零初值开始。我们的方法保留了LR-ADI方法中已知的低秩增量与残差的高效迭代格式,并将其推广至任意低秩初值。我们进一步将Lyapunov方程LR-ADI的一些已知性质推广到更广泛的算法或问题类别。我们通过两个通常调用LR-ADI的外层迭代来研究任意初值的性能:首先,用牛顿法求解代数Riccati方程;其次,用一阶Rosenbrock方法求解微分Riccati方程。数值实验证实,所提出的交替方向隐式(ADI)新初值能显著减少ADI总步数,同时在这两类方程上分别比零初值实现了17%的加速和8倍的速度提升。

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