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4.3.2 方程组的误差估计.ppt
若 第四章方程组的直接解法 4.3.2 方程组的误差估计 4.3.1 矩阵的条件数 4.3 方程组的性态和误差估计 解Ly=b得y=(6,1,-1) T, 解LTx=D-1y得x=(2,1,-1)T 4.3.1 矩阵的条件数 定义4.1 如果方程组Ax= b中,矩阵A和b右端的微小变化,引起解向量x的很大变化,则称A为关于解发才组和矩阵求逆的病态矩阵,称相应的方程组为病态方程组。否则, 称A为良态矩阵,称相应的方程组为良态方程组。 的准确解是(1,1)T。若A及b作微小的变化,考扰动后的方程组 其准确解为(-2,10)T 先看一个例子,说明方程组的解对或的扰动的敏感性问题。 例4.9 方程组 在上例中, A和b的微小变化引起x很大的变化, x对A和b的扰动是敏感的。这种现象的出现完全是有方程组的性态决定的。 方程组右端所引起的解向量的相对误差就可能越大。 可见,量 是相对误差 的倍增因子,该量越大, 又由于 , x= A-1 b, 即得 我们需要一种能刻画矩阵和方程组病态程度的标准。暂且不考虑矩阵A的扰动,仅须考虑b 的扰动对方程组的影响,设方程组Ax= b的扰的方程组为A(x+ x)= b + b ,则 为矩阵A的条件数。 如果矩阵范数取2范数,则记 定义4.2 设A∈Rn×n为可逆矩阵,按算子范数,称 cond(A)= 同样可以定义cond∞(A)和cond1(A)。 。按( 4.3.1), (1)其中cond(A)≧1, cond(A)= cond(A-1), cond( A)= cond(A),其中 ∈R, ≠0 (2)若U为正交矩阵,即UT U=I则 cond2(U)=1, cond2(A)= cond2(AU)= cond2(UA)。 (3)设 与 为A按绝对值最的和最小的特征值,则 若A对称,则cond2(A) = cond(A) ≧ 设A-1存在,条件数有如下一些性质: 例4.10 下列Hilbert矩阵是一族著名的病态矩阵: 它是一个n×n的对称矩阵,可以证明是正定的。计算条件数有cond2(H4)= 1.5514 × 104 , cond2( H6)=1.4951 × 107,cond2( H8)= 1.525 × 1010。由此可见,随着n的增加, Hn的病态可能越严重。 Hn常常在数据拟合和函数逼近中出现 。 对于实际问题,条件数一般是很难计算的。下列现象可能表示方程组Ax=b是病态的。 (1)如果矩阵A的按绝对值最大特征值和最小特征值之比很大,则A是病态的。 (2)如果系数矩阵A的元素间数量级很大,并且无一定规则,则A可能病态。 (3)如果系数矩阵A的莫些行或列是近似相关的,或系数矩阵的行列式值相对说很小,则A可能病态。 (4)如果在A的三角化过程中出现小指元或采用选用选主远技术,主元素数量级相差悬除时,则A可能病态。 对于病态方程组,数值求解必须小心进行,否则达不到所要求的准确度。有时可以用高精度(如双精度或扩充精度)的运算,以改善或减轻方程组的病态程度,有时也可以对圆方程组作预处理,以降低 系数矩阵的条件数,即选择非奇异矩阵P和Q,一般选着为对角阵或三角矩阵,使 cond( PAQ ) cond(A) 然后,求解等价方程组PAQ y=P y , y =Q-1x。 例如,对矩阵 有cond∞ ≈105。若进行预处理 则cond∞ (B)=4,条件数的改善。 4.3.2 方程组的误差估计 定理4.9 设Ax=b,A为非奇异矩阵, b为非零向量, A和b分别有扰动, A和 b, 。若 1,则有误差估计式 由于舍入误差,我们解方程组往往得到的是近似解。下面利用条件数给出近似解的事前误差估计,即计算之前和计算之后的误差估计。 将上式两端取范数,则有 证. 将代入扰动方程组 ,整理后有
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