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RÉSUMÉ
Calculer les valeurs propres et les vecteurs propres de matrices est un important problème en analyse numérique linéaire. Les problèmes de valeurs propres sont très riches, tant par leur variété que par le type de matrices que l'on doit traiter et par les méthodes et algorithmes de calcul à utiliser : les matrices peuvent être symétriques ou non symétriques, creuses ou pleines, et les problèmes peuvent être classiques ou généralisés ou même quadratiques. Il existe des applications qui requièrent le calcul d'un très petit nombre de valeurs propres, d'autres au contraire un grand nombre ou même tout le spectre.
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Bernard PHILIPPE : INRIA Rennes-Bretagne Atlantique
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Yousef SAAD : Department of computer science and engineering, university of Minnesota
INTRODUCTION
Lalculer les valeurs propres et les vecteurs propres de matrices est un des problèmes les plus importants en analyse numérique linéaire. Les techniques requérant la connaissance du spectre de matrices sont utilisées dans des domaines aussi variés que la mécanique quantique, l'analyse des structures, la théorie des graphes, les modèles de l'économie et le classement des pages de la Toile informatique par les moteurs de recherche.
Par exemple, en mécanique des structures, les problèmes de « résonances » ou de « vibrations » de structures mécaniques, décrits par l'analyse spectrale, se ramènent à des calculs de valeurs et de vecteurs propres.
Les problèmes non symétriques de valeurs propres apparaissent dans l'analyse de la stabilité de systèmes dynamiques. Dans un tout autre domaine, la chimie quantique donne lieu à des problèmes symétriques aux valeurs propres qui peuvent être gigantesques, tant par leur taille que par le nombre de valeurs et de vecteurs propres à extraire. On peut également mentionner que la décomposition aux valeurs singulières, qui est une sorte de généralisation de la décomposition spectrale classique, est primordiale en statistique et dans les problèmes de la « nouvelle économie » (reconnaissance de formes, fouille de données, traitement du signal, exploitation de données, etc.).
Les problèmes de valeurs propres sont très riches, tant par leur variété que par le type de matrices que l'on doit traiter et par les méthodes et algorithmes de calcul à utiliser : les matrices peuvent être symétriques ou non symétriques, creuses ou pleines, et les problèmes peuvent être classiques ou généralisés ou même quadratiques. Il existe des applications qui requièrent le calcul d'un très petit nombre de valeurs propres, d'autres au contraire un grand nombre de valeurs propres ou même tout le spectre.
On essaiera donc dans cet article de survoler les outils permettant de résoudre ces différents cas.
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Décomposition aux valeurs singulières
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6. Problème généralisé aux valeurs propres
6.1 Définition et propriétés du problème
Dans certaines applications, le problème des valeurs propres ne s'exprime pas sous la forme classique Ax = λx mais sous des formes généralisées. Par exemple, en mécanique des solides ou des structures, le problème est souvent sous la forme :
où
et où B peut être symétrique définie positive par exemple. Le problème quadratique de valeurs propres :
est une autre généralisation qui intervient en mécanique, et qui peut être convertie en un problème classique généralisé. Nous considérons ici seulement le problème classique.
La forme généralisée classique du problème aux valeurs propres est définie pour une paire de matrices
. On recherche les couples
tels que :
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Problème généralisé aux valeurs propres
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - ANDERSON (E.), BAI (Z.), BISCHOF (C.), BLACKFORD (L.S.), DEMMEL (J.), DONGARRA (J.J.), DU CROZ (J.), HAMMARLING (S.), GREENBAUM (A.), McKENNEY (A.), SORENSEN (D.) - LAPACK Users' guide (3ème éd.). - Society for Industrial and Applied Mathematics, Philadelphia, PA, USA (1999). http://www.netlib.org/lapack/lug/
-
(2) - BAI (Z.), DEMMEL (J.), DONGARRA (J.), RUHE (A.), VAN DER VORST (H.) - Templates for the Solution of Algebraic Eigenvalue Problems : A Practical Guide. - Number 11 in Software, Environments, and Tools. SIAM, Philadelphia (2000).
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(3) - BENNIGHOF (J.K.), LEHOUCQ (R.B.) - An automated multilevel substructuring method for eigenspace computation in linear elastodynamics. - SIAM J. Sci. Comput., 25(6), p. 2084-2106 (2004).
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(4) - BOISVERT (R.F.), POZO (R.), REMINGTON (K.), BARRETT (R.), DONGARRA (J.) - The Matrix Market : A Web repository for test matrix data. - In R.F. Boisvert, editor. The Quality of Numerical Software, Assessment and Enhancement. Chapman & Hall, London p. 125-137 (1997).
-
(5) - BREZINSKI (C.), REDIVO ZAGLIA (M.), SADOK (H.) - A review of formal orthogonality in Lanczos-based...
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