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Ch7解线性方组的直接方法
Ch7、解线性方程组的直接方法
§1、引言
对线性方程组
(1)
令,,则(1)可记为 (2)
求解的数值方法有如下两类:
1、直接法 2、迭代法
①存贮量大; ①存贮量小;
②计算时间短; ②计算时间长;
③程序复杂; ③程序简单;
④适用于A为低阶矩。 ④适用于A为高阶稀疏矩阵。
§2、 Gauss消去法
1、消元过程
记为 (3)
若,令,用乘第一个方程后加到第个方程上,则(3)变为
记为
一般地,对
若,令,类似地可消去从第到第个方程中的,直至将方程化为上三角方程。
记为
2、回代过程
3、矩阵的LU分解
矩阵A的第一行乘后加到第行的变换,相当于用矩阵
左乘矩阵A
一般地,第步所用变换对应于矩阵
Gauss消去法可用矩阵描述如下:
,即,
记——上三角,——下三角,
则 ——矩阵的LU分解。
定理1:当方阵A的顺序主子式时,A可唯一地分解为单位下三角阵L与上三角阵U之积,即A=LU。
设,
则
对,即,只要经两次回代即可解出方程。
§3、Gauss列主元消去法
1、Gauss消去法中的称为主元,从理论上讲仅需即可,但从数值计算的角度来看,其绝对值越小,引起的舍入误差就越大,反之舍入误差就小。
为了减小舍入误差,提高算法的数值稳定性,可在每步消元过程中选主元,具体有:
①总体选主元(每步系数矩阵中绝对值最大者)
②按列选主元(在第k步中,从中选绝对值最大者)
2、计算过程
只须在Gauss消去法中加入选主元过程。
在中选出绝对值最大者,然后放在(k,k)位置(交换行)。
§4、追赶法与Cholesky分解
1、追赶法
对三对角方程
首先由第一个方程解出,令,则,
代入第二个方程得,即,
令,有,
类似地可推出下列公式
其中 ,
将代入最后一个方程
,
令,则,代入即可依次求出。
上述求解过程可分为两个部分:
①依次确定,称之为追的过程;
②依相反次序确定,称之为赶的过程。
即
2、对称正定阵的分解
定理2:设A对称,且A的各阶顺序主子式均不为零,则A可唯一地分解为,其中L为单位下三角阵,D为对角阵。
定理3:设A对称正定,则A可唯一地分解为,其中L为对角元大于零的下三角阵。
证:由定理2,,
又A正定,有中的,
故
其中为下三角。(Cholesky分解)
设A对称正定,则可化为,即,经回代即可解。
计算机解法:①A为一般方阵时,用LU分解(Gauss消去法);②A对称正定时,用Cholesky分解。
§5、向量和矩阵的范数
一、向量的范数
1、定义:设或,为定义在上的一个实值函数,若满足
①非负性:,当且仅当;
②齐次性:对,有;
③三角不等式:对,有;
则称为上的一个向量范数。
2、常用向量范数
对,有
①范数 ;②1-范数 ;
③2-范数 ;④p-范数
定理4:中的一切范数都是等价的,即对任意两种范数,总有正数m和M,使
3、向量序列的收敛性
定义:设为中的向量序列,,并记,,若,则称收敛于,记为
定理5:,为任一范数。
二、矩阵的范数
1、定义:若矩阵的某个实值函数满足
①;②;
③;④ 相容性;
则称为上的一个矩阵范数。
2、常用矩阵范数
① 行范数;② 列范数
③ 2-范数;④ F-范数
3、谱半径
定义:设A的特征值为,称为A的谱半径。
定理6:A的谱半径不超过A的范数,即。
证:设为A的任一特征值,为相应的特征向量,即,则
相容性,故,即。
定理7:若,则可逆,且。
证:若不可逆,即,有非零解
亦即有,使,,
,矛盾,故可逆。
,得
§6、误差分析和矩阵的条件数
1、右端向量误差对解的影响
设的右端向量有误差,相应的解为,则
,
又,故
2、系数矩阵误差对解的影响
设的系数矩阵有误差,相应的解为,则
,
由定理7,若,则可逆,,
且,故
3、矩阵的条件数
定义:设A非奇异,则称为的条件数。
①;②;③;④若A为正交阵,则。
常用条件数:
①;②
4、病态方程组
条件数刻画了方程组的解对原始数据误差的敏感程度。当条件数很大时,或的扰动所引起的的误差可能很大,此时称为病态的或坏条件的,对应的方程组称为病态方程组,反之称为良态的或好条件的。
例、
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