Прямые методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Постановка задачи

править

Дана СЛАУ:

 
 

  Предполагаем, что   - невырожденная (  задача корректна).   - приближенное решение задачи. Погрешность  . Невязка  

Определение.   называется нормой вектора  , если обладает свойствами:
  1.  ,  
  2.  
  3.  


Три варианта задания нормы:

 

Скалярное произведение:  . Погрешности:  ,  

Определение. Сходимость по норме:   - последовательность векторов   при  , если   при  .


Норма матрицы  . Свойства:

  1.  
  2.  
  3.  
  4.  
  5.  
 

Это подчиненные нормы  

Обусловленность задачи решения СЛАУ

править
Лемма.  , где  


Доказательство.  


Теорема.   - точное решение системы  , где   - приближенное к  .

Тогда верно:  , где  

Доказательство. Здесь  . Из леммы:  . Разделим на  :  

  - абсолютное число обусловленности для  .   - естественное число обусловленности (относительное).   - число обусловленности.


Теорема.  . Факты:
  1.  
  2.  
  3.  
Теорема.   - точное решение.   - приближено заданная матрица  . Тогда  , где  
Доказательство.  

 


Методы решения

править

Метод Гаусса

править

Прямой ход:

1-й шаг - пусть  . Найдем  . Из   уравнений вычитаем первое, домноженное на  . Получаем:

 

 

2-й шаг - пусть  

k-й шаг:  

За (m-1) шаг получаем:

 

Обратный ход:

Из последнего уравнения находим  , подставляем в предпоследнее, находим  .  

Трудоемкость:

1. m-1 деление, (m-1)m умножений, (m-1)m вычитаний  

k.  

 

Обратный ход:   операций. Необходимость выбора главных элементов: главный элемент не должен быть равен нулю. Если он близок к нулю, растет погрешность (это для ЭВМ).

Матричная форма метода Гаусса. (LU - разложение)

править

После первого шага получаем  . Введем:

 
 
 

Начальная система:  .

  - верхняя треугольная матрица  .

 

Свойства элементарных матриц:

  1.  
  2.   - нижние треугольные матрицы
  3.   - тоже, только у   вместо "-" стоит "+"

 

Теорема. Если все главные миноры матрицы  , то   нижняя треугольная матрица   вида   и верхняя треугольная матрица   такие, что  .

Использование:

  1. преобразуем   в  
  2. Решаем систему  

Количество действий:  

Модификации Гаусса

править
  1. на k-м шаге в качестве главного элемента выбираем максимальный по модулю коэффициент   и переставляем строки.
  2. на каждом шаге выбираем максимальный по модулю коэффициент из строк с номерами   и переставляем строки (столбцы)

Масштабирование - делим каждое уравнение на наибольший по модулю коэффициент.

Метод Холецкого

править

 ,   - симметричная ( ), положительно определенная (  - скалярное произведение   на  ) Проверка:

  1. Все главные миноры положительны
  2.   - диагональное преобладание
  3.   - столбцовое преобладание

Специальное   - разложение:  .

 
 
 

После получения этого разложения решаем  . Это решение требует   действий

Метод Прогонки

править
 

Вывод:

 
 

Алгоритм

Прямой ход:

 

Обратный ход:

 

Количество операций:  .

Теорема. Пусть  . Тогда   и    
Доказательство.  

Пусть   и   для некоторого  . Тогда  ,   и