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Computing the Fréchet Derivative of the Matrix Exponential, with an Application to Condition Number Estimation

数学 缩放比例 条件编号 矩阵指数 舍入 基质(化学分析) 指数函数 算法 应用数学 规范(哲学) 矩阵范数 数学分析 几何学 计算机科学 微分方程 特征向量 物理 材料科学 量子力学 复合材料 政治学 法学 操作系统
作者
Awad H. Al-Mohy,Nicholas J. Higham
出处
期刊:SIAM Journal on Matrix Analysis and Applications [Society for Industrial and Applied Mathematics]
卷期号:30 (4): 1639-1657 被引量:90
标识
DOI:10.1137/080716426
摘要

The matrix exponential is a much-studied matrix function having many applications. The Fréchet derivative of the matrix exponential describes the first-order sensitivity of $e^A$ to perturbations in A and its norm determines a condition number for $e^A$. Among the numerous methods for computing $e^A$ the scaling and squaring method is the most widely used. We show that the implementation of the method in [N. J. Higham, The scaling and squaring method for the matrix exponential revisited, SIAM J. Matrix Anal. Appl., 26 (2005), pp. 1179–1193] can be extended to compute both $e^A$ and the Fréchet derivative at A in the direction E, denoted by $L(A,E)$, at a cost about three times that for computing $e^A$ alone. The algorithm is derived from the scaling and squaring method by differentiating the Padé approximants and the squaring recurrence, reusing quantities computed during the evaluation of the Padé approximant, and intertwining the recurrences in the squaring phase. To guide the choice of algorithmic parameters, an extension of the existing backward error analysis for the scaling and squaring method is developed which shows that, modulo rounding errors, the approximations obtained are $e^{A+\Delta A}$ and $L(A+\Delta A,E+\Delta E)$, with the same $\Delta A$ in both cases, and with computable bounds on $\|\Delta A\|$ and $\|\Delta E\|$. The algorithm for $L(A,E)$ is used to develop an algorithm that computes $e^A$ together with an estimate of its condition number. In addition to results specific to the exponential, we develop some results and techniques for arbitrary functions. We show how a matrix iteration for $f(A)$ yields an iteration for the Fréchet derivative and show how to efficiently compute the Fréchet derivative of a power series. We also show that a matrix polynomial and its Fréchet derivative can be evaluated at a cost at most three times that of computing the polynomial itself and give a general framework for evaluating a matrix function and its Fréchet derivative via Padé approximation.
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