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高斯列主元角分界
* * 3.2.2高斯消去法 利用上面回代过程求解, 利用矩阵初等变换将其转为上三角矩阵。 举例,求解方程组: 12x1-3x2+3x3=15 18x1-3x2+ x3=15 -x1-2x2+ x3=6 可解得x1=1 x2=2 x3=3 高斯消去法一般过程: 记增广矩阵 其中 第一步消元:将 第一列对角线一下元素消为0. 设 ,将 的第1行乘上 再加到第i行上得: 其中 上式可写成两矩阵相乘 其中 :下三角矩阵 如此重复操作可得: 其中 为上三角矩阵, 为下三角矩阵,具体为: 可将 合在一起,记 可得 其中 , 可求出为 下三角矩阵 原矩阵可分解为下三角和上三角矩阵之积. 此过程为消元过程. 接下来分析计算量: 考虑第k步消元 k=1,2,…,n-1(即共n-1次消元) 乘除法: ①计算 (i=k+1,… ,n) 需(n-k)次 ②计算 (i,j=k+1,… ,n) 需 次 ③计算 (i=k+1,…,n) 需(n-k)次 第k步需 加减法 只在②和③中用到 第k步 需 总共需 加法总共需: 将消元和回代过程合在一起,计算量分别为 乘除法: 加减法: 高斯消去法需注意: 若 =0, (k=1.2 …n) 可通过行交换方式,与第 k 行下面的行交换,再消元;但并不是所有系数矩阵都可使用高斯消去法。 另一方面还需考虑误差传播的影响: 3.2.3 列主元高斯消去法 要求 . 定理: (k=1.2 …n) 的充要条件是A的顺序 主子式不为0, 即 第k 步消元时,需将 的第k行 再加到第i行(i=k+1,…n) 若第k行元素 , … 有误差 则误差传播为 ∴若 较小,则 较大,误差传播较大. ∴应使 取较大值,可减小误差传播。 解决方法:(列主消元法)在第k步消元之前,选出第k列中对角线以下元素绝对值较大者的这一行与第k行交换再消元. 例: 作业:使用列主元法求解 3.2.4 追赶法 对一些特殊方程组(样条函数构造,微分方程数值求解),对角占优方程组,三对角方程组。 其中系数ai, ,bi ,ci需满足一定的条件(确保能使用高斯消去法) 在使用高斯消去法计算量可降低(因为每一步消元只消去一个元素,回代过程计算量也相应减少) 消元时:记 , , 则: , , 其增广矩阵可表示为: 其回代过程可写成: , , 计算量分析: 乘除法:第i步消元时计算: 1次 1次 1次 共有n-1步, 共3(n-1)次 回代时: 共 次 总共 次, 加减法:第i步消元: 2次, 1次 ,∴所以共 回代:(n-1)次 总共:2n-2+n-1=3n-3次 共3次 1次 3.3 矩阵的直接分解(三角分解)法 3.3.1矩阵的紧凑格式 U L:下三角矩阵 ;U:上三角矩阵 高斯法的消元过程:利用矩阵初等变换. 这里利用A的自身元素之间关系和递归关系(利用矩阵相乘),求解L和U的元素,减少计算量 其每个元素可看成: L的对应行元素*U的对应列元素: A=L 利用矩阵乘法:先看第一行 a1j = u1j (j =1﹑2﹑3﹑…﹑n) ∴ u1j = a1j (j =1﹑2﹑3﹑…﹑n) 再看第一列: ai1 = li1 * u11 (i =2﹑3﹑…﹑n) (i =2﹑3﹑…﹑n) ∴ 第一行和第一列可由ai1 求出 对第k行,有: (j =k﹑k+1﹑…﹑n) ∴ (例如a23 ) 对第k列,有: (i =k+1﹑k+2﹑…﹑n) ∴ (i =k+1﹑k+2﹑…﹑n) ∴ 可由aij 求出。 (例如a32 ) 对增广矩阵: ,b的计算与 一样, 可合在一起计算,即: (j=n+1) ∴ (j =k﹑k+1﹑…﹑n+1) (3). U中的ukj = akj- (ukj左边L的同行元素lkq *上面U的同列元素uqj) (4). L中的lik =[ aik- ( lik左边同行元素*上面u同列元素)] /对角元素ukk 具体过程如下图所示: 具体的计算步骤为: (1). 由u1j = a1j 得到u的第1行元素与A的第1行相同. (2). 由 ,
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