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习题课二 求解的直接法
摘要:
知道数值线性代数的四点内容:
①----规范线性方程组问题
②----最小二乘问题
③----代数特征值问题
④----代数奇异值问题
理解求解的线性变换法的核心思想:把A三角化:
对,只要求P为非奇异 …列向量
对,要求P为正交阵
3.掌握每种主要线性变换:Guass变换与Householder变换,??Givens变换.
4.Guass消元法——主元消元法
直接三角分解(LU分解法,选主元LU分解法)
对称正定阵有Cholesky分解.
三对角……
这里运用了初等矩阵的性质.
5.向量与矩阵的范数
最大列和
最大行和
如,则为非奇异.
在Ax=b问题下的矩阵条件数:
6.误差分析
一、基本方法:给定方程组,用Gauss消元法,主元消元法或直接三角分解法求解(数字题)
分别用顺序Gauss消元法,列主元Gauss消元法解下列方程组(取4位有效数字)比较计算结果与精度
解: 用matlab求得其精确解为
用顺序Gauss消元法
回代解:
(下省略,请同学们自做)
2.用列主元消元法求矩阵A的行列式,
解:用Gauss列主元消元法,把A化为一个上三角阵
因为,的行列式均为1,故detA=detU=U对角线元素之积。
3. 用Doolittle法解方程组 。
解:用“西北角”分解法:
,
,
得:
用Crout分解法解方程组 。
解:设(要求解14+6个元素)
按“西北角”分解法,先后:求L的第一列
求U的第一行
求L的第二列
……
由矩阵乘法,对比两边的元素,得Crout分解的计算公式为
(i=1,2,3,4)
(j=2,3,4)
(k=2, 3, 4; i=k, … , 4)
(k=2, 3, 4; j=k+1, … , 4)
具体的:
即其解为,
即,
然后分别解和, (下略,留给同学们)
5. 用平方根法(cholesky分解)求解下列方程组,A为对称正定阵
解:先做Cholesky分解
对角元:
时:
Cholesky分解的优点是不必选主元,且数据稳定
解Ly=b.
求出 , ,,
.
得 ,,,
不必选主元的原因是不用消元因子
数值稳定的原因:
因此:
故 ,即的数量级不会增长
6.用改进平方根法解
解:如用cholesky法求解时,要做一次开方运算,改进平方根法避免开方。
作矩阵乘法,并注意到, (jk)
(D为对角元,只有j=k时元素非零,记)
(L为下三角阵,行数列数时其元素为零)
(列k最多为j)
(1) (,j=1,2,…,n)
对角元(i=j) (i=1,2,…,n)
显然.
于是得计算式(按列分解)
j=1,2,…,n
(i=j+1,…,n)
对本题有j=1 j=2 j=3
7. 用追赶法解三对角方程组
解: 注意到A不是对称,也非对角占优。假如A的前n-1个顺序主子式都非零,那么A存在唯一的三角分解,且为保带的。
方法一:作初等行变换,使A上三角化(消元非常方便)
于是有 ,;;。
方法二:作三角分解,实施“追赶法”(作Crout分解)
作矩阵乘法:
故有
对i=1,2,3,…
,,
U中
“追”步 Ly=b
得
“赶”步 Ux=y
得
方法三: 作Doolittle分解(略)
8. 用列主元消元法解方程组系 Ax=b Ay=c Az=d
其中,,,
解:作增广阵
第一个方程组 第二个 第三个
9.用平方根法求解Ax=b,其中
解:设,则平方根法计算式为
j=1,2,3,…,n
i=j+1,…,n
因为A对称,且本题中, (ij).
先用数学归纳法证明,所有
因为 ; , i=2,3,…,n
作归纳假设 , (ij),那么我们有
(ij+1)
归纳法完成。
因此有
由,即 得
由,即 得
10.举例说明之:非奇异矩阵不一定存在LU分解,但非奇异阵可作适当的行对调,可保证存在LU分解.
解: 设.A非奇异,若A存在LU分解,则
比较两边
;
故不能LU分解
但A的行列对换,,则存在LU分解
11.设,求A的PLU分解。
解:由于A的一二阶主子式都为零,取使
;
容易知,的一、二、三阶顺序主子式均非零,故有唯一的LU分解.
故
其实P不是唯一的,
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