news 2026/10/13 9:04:02

MATLAB 中 LSQR 算法实现详解:求解大规模稀疏最小二乘问题

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张小明

前端开发工程师

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MATLAB 中 LSQR 算法实现详解:求解大规模稀疏最小二乘问题

在科学计算、图像重建、机器学习等领域,我们经常需要求解大型线性系统 Ax ≈ b,尤其是最小二乘问题 min ||Ax - b||₂。这种问题往往出现在系数矩阵 A 规模巨大、稀疏的情况下,直接使用 SVD 或 QR 分解会因内存和时间成本过高而不可行。这时,迭代方法就成了首选,而 LSQR(Least Squares QR)算法正是其中最经典、最稳定的方法之一。

LSQR 由 Paige 和 Saunders 于 1982 年提出,本质上是将共轭梯度法(CG)应用于正规方程 AᵀAx = Aᵀb,但通过巧妙的双对角化过程避免了直接形成 AᵀA,从而保持数值稳定性和对稀疏性的充分利用。它特别适合求解超定系统(m > n)、欠定系统或带阻尼的正则化问题 min ||[A; damp·I]x - [b; 0]||₂。

今天,我们来详细剖析一个 MATLAB 实现的 LSQR 函数。它支持直接传入矩阵 A 和右端向量 B(可多列),无需用户提供矩阵-向量乘法函数,简化了使用门槛。同时支持阻尼参数、迭代上限、收敛容差和迭代日志显示,非常适合实际工程应用。

LSQR 算法核心思想

LSQR 通过 Lanczos 双对角化过程逐步构建下双对角矩阵,同时使用平面旋转(Givens 旋转)将其转化为上双对角形式。在此过程中,它维护两个正交基:左向量 u 和右向量 v,满足:

  • β u = A v - α u

  • α v = Aᵀ u - β v

通过一系列旋转,算法逐步更新解 X、残差范数、A 的条件数估计等关键量,并在每步检查多种收敛条件,确保在达到精度或检测

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