Итерационные методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Метод простой итерации

править

  приводим к виду, удобному для итерации:  

 

Самый простой метод: из  -го уравнения выражаем  . Возможно только если диагональные элементы матрицы   ненулевые. Иногда приводят к виду  , где   - специально выбираемый числовой параметр. Описание: Выбираем начальное приближение    

Если система   получена по вышеописанному (самому простому) методу, то МПИ называется методом Якоби.

Теорема. Пусть выполнено условие  , тогда
  1.   решение   системы  
  2. при   начальном приближении   МПИ сходится и справедлива оценка погрешности  
Доказательство.   решение СЛАУ при любой правой части   однородная система имеет только нулевое решение  

Пусть   - решение системы   так как  , то   и 1. доказано.

 
  - верное  
 

при   получаем   при  


Замечание. При   получаем:  .


Апостериорная оценка погрешности:

Если  , то справедлива апостериорная оценка:  

Доказательство.  


Критерий окончания итерационного процесса:  , где  . Если   - симметричная, положительно определенная матрица, то  , часто приводят к виду  

  - здесь  . Параметр   выбирают так, чтобы по возможности сделать минимальной  .   если  . Оптимально  

Тогда  . Если известны не сами   и  , а их оценки   или   или  . В случае   то   метод сходится медленно.

Метод Зейделя - модификация метода Якоби

править
 

где  ,  ,  

Метод Зейделя:

 

Введем:   - верхняя и нижняя треугольные матрицы.

  удовлетворяет:  

Теорема. Пусть  , где   - одна из норм  . Тогда   метод Зейделя сходится со скоростью геометрической прогресии с  . (без доказательства)
Теорема. Пусть выполнено условие  . Тогда   метод Зейделя сходится и верна оценка погрешности:  , где  
Доказательство. : 
 
 

Неравенство верно для     при  


Теорема.   - симметричная положительно определенная матрица. Тогда   метод Зейделя сходится со скоростью геометрической прогресии (без доказательства)

Апостериорная оценка: Если  , то  .

Возьмем      

Для данного   критерий окончания:  , где  

Геометрическая интерпретация метода Зейделя

   

Расчетные формулы:

 
 
Метод Якоби
Замечание. Метод Якоби ориентирован на системы с матрицами, близкими к диагональным, а метод Зейделя - на матрицы, близкие к нижним треугольным.


Метод релаксации

править

После вычисления  -ой компоненты по методу Зейделя ( -го приближения)   Производится дополнительно смещение этой компоненты на величину  , где   - параметр релаксации. То есть   -я компонента  -го приближения вычисляется по формуле:

 

Компактная формула:

 

При   получаем метод Зейделя. Если   - метод последовательной верхней релаксации. Если   - метод последовательной нижней релаксации. Если   - симметричная и положительно определенная матрица, то   метод релаксации сходится. Иногда можно выбрать   так, чтобы метод сходился существенно быстрее, чем метод Якоби и Зейделя. Выбор параметра - зачастую экспериментально.