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第三 解線性方程組的迭代3‐1:取0,10,1u u f22sin(x)sin(y,使用有限元法求解此4X4169
c1 c
2 000000 000000 000000000000 00000000000 000000 c 4 c 5 c
7
一般情形:對(duì)區(qū)域進(jìn)行64X64劃分;求所有節(jié)點(diǎn)上近似數(shù)據(jù),最后化歸為求解內(nèi)部節(jié)點(diǎn)滿足的稀疏方程例3‐2:現(xiàn)實(shí)中的問(wèn)題大多數(shù)是連續(xù)的,例如工程中求解結(jié)§3.1迭代法直接法適用于中小型方程組對(duì)高階方程組,量大,程序復(fù)雜,運(yùn)算量巨大.矩陣稀疏性,計(jì)算簡(jiǎn)單,程序編制容易.迭代法基本思想:構(gòu)造向量序列xk,使得它的極限x是Axb的解迭代法的一般其中AM為n階方陣,xg :x(k1)Mx(k)
k0,1,2,M為迭代矩陣,{x(k)}為迭代序列結(jié)論:若迭 x(k
Mx(k
g產(chǎn)生的迭代序列收斂于AxxMx則必有xAxxMx此類(lèi)方法稱(chēng)為單步定長(zhǎng)線性迭代法向量序列與矩陣序列的收斂定義3.1:設(shè){x{k}}為Rn中的向量序列,xRn,如果:limx(k)xk其中為Rn中的向量范數(shù),則稱(chēng)序列{xk)}收斂于記 limx(k)k定理 limx(k)xlimx(k)x(i1,2, k 其 x(k)(x(k),x(k),...,x(k))T
x(x,x,...x 定義3.2:設(shè)Ak為n階方陣序列,A為n階方陣,如果 A(k)Ak其中為矩陣范數(shù),則稱(chēng)序列Ak)}收斂于A記作limA(k)k定理3.2 limA(k)Alima(k)a(i,j1,2,k k
其 A(k)(ak A(a定理3.1,3.2說(shuō)明向量和矩陣序列的收斂等價(jià)于對(duì)應(yīng)分量 幾種基本的迭 雅可比(Jacobi)a11x1a12x2a1nxna21a
a22
a2n
Ax xMx
annxnx1
m1nx1
g1x
x g2 2n22
xmxmx xxn
mnnxn gn
21
若aii (i1,2,,n)方程組可同解變形為x
xa1n
x
x
ann1
xMx
x(k1)Mx(k) k0,1,nJacobi迭代法的計(jì) n
x(k)
nn
x(k)
22
n n即
i
n
ix(k1)i
ba x(k)
x(k)
(i1,2,,ai ai
ji
記 g
ba
(ij i,j1,2,,(i1,2,,n
g1
gM
2n
g 2bb
0 0
g g nx(k1)Mx(k)Jacobi迭代法的矩陣形式 x(k1)Mx(k)選取初始向量x(0),按以上 產(chǎn)生的迭代序列稱(chēng)為Jacobi迭代(簡(jiǎn)單迭代法)Jacobi MI g
Ddiag(a 算法3.1(Jacobi迭代、輸入Aab(bb,...b)Tx(0)
(x(0),x(0),...x(0))T 誤差,最大允許迭代次數(shù)N2、取k
i
(0
(03、對(duì)i1,2,..., xi (bi
aijxj
ji
aijx 4、若
xx(
,輸出,停止.否則轉(zhuǎn)5、若kN,取k1kxx(0i12 轉(zhuǎn)3,否則輸出失敗信息functionM%用途:Jacobi迭代求解方程組n=length(b);N=500;ep=1e-x=ones(n,1k=0;whilek<Nfor%[kx’] ifnorm(x-x0,inf)<ep,break;endifk==N,Warning(‘已達(dá)最大迭代次數(shù)');enddisp([‘k=’,num2str(k)]) 10x1x22x3x10 2 2x 5 2310x1x22x3解:Jacobi迭代計(jì)
x10 2 3x 5 31x(k112x(k12x (k1x
0.1x(k)0.2x(k 0.1x(k)0.2x(k 0.2x(k)0.2x(k
788x(0)0,0,0)T
x(1)(7.2,8.3,1x(2)0.831.687.212x(2)0.721.688.323x(2)1.441.668.43依次下去收斂于真解x(11, kJacobimethodx
10x1x22x3 10 2 5 0.1
MID1A
0gD1b
令x(k1)Mx(k)
x(0)(0得x(1)Mx(0)g 8.4)Tx(9)(10.9994,11.9994,依次下去,x(k1)Mx(k) 收斂于精確x(11,12,13)T -賽德?tīng)?Gauss-Seidel)Jacobi迭代的計(jì) x(k
x(k
x(k
a a
nx(k n
21x(k
a2
x(k
2x(k2
x(k
an
x(k
ann
x(k
a a
i
n
n
x(k1) baijx(k)
aijx(k)
(i1,2,,ii jii
ji Gauss-Seidel迭代的計(jì) x(k
x(k
x(k
a a
nx(k n
21x(k
x(k
2x(k2
x(k
an
x(k
x(k
a a即
x(k
b
i
ax(k1)
ax(k)
(i1,2,,na na
j
ji 0 0
0La
a 00 0 an an
0
a1n0 a 0
2nU
a3n00
Ddiag(a11,a22,,annADL(k 1
i
(k
(k)a a
aijxj
aijx ji
(i1,2,,x(k1)D1(Lx(k1)Ux(k
(DL)x(k1)Ux(k)x(k1)(DL)1Ux(k)(DL)1迭代矩陣為
Ms(D functionM%用途:Gauss-Seidel迭代求解方程組whilefor ifx(1)=(b(1)-elseifx(i)=(b(i)-A(i,1:i-1)*x(1:i-1)-ifnorm(x-x0,inf)<ep,break;end10x1x22x3 10 2 5 10x1x22x3解:G-S迭代計(jì)
x10x2 xx5 x(k 0.1x(k
0.2x(k)
2x(k2
0.1x(k
0.2x(k)13x(k 0.2x(k1)0.2x(k1)13
取x(0)(0,0,0)T x(1)(7.2,9.02,1x(2)0.9022.32887.212x(2)1.043082.32888.323x(2)2.086162.334388.43依次下去收斂于真 x(11, er(A,b,20,1e- 0,1e-Gauss_seidelmethodxJacobimethodconvergedx=10x1x22x3 10 2 寫(xiě)成G-S迭代矩陣
2 5 23
01
0.2
0.22MS(D
g(DL)1b S令xk1)MxkS
x(0)(0,依次下去,x(k)收斂于真解 逐次超松弛法(SOR法換個(gè)角度看GaussSeidelx(k1) 1
i
x(k1)
(k)
aijx
j1
i
jin
r(kix(k) bax(ki
ax(k)x(k
aii
iij
j
r(k x(k1)x(k
a通過(guò)選取合適的來(lái)加速收斂1時(shí)即為Gauss-SeidelSOR計(jì) (k
(k
i
(k
(k
(i
(bia
aijx
aijx j
i
j (1)x(k)
(b
ax(k
ax(k)a a j
ji
(k1)
b
i ax(k1)
(k)
aij ji x(k
(1-)x(k
(
x(k
x(k
b1
x(k
(1-)x(k
(
x(k
a2
x(k
b2SOR:
x(k
(1-)x(k
(
x(k1)ann
x(k
bn
n (k
(k)
i (k
(k (1)
(bi
aijxj
aijxj ji
(ix(k1)(1)x(k)D1(bLx(k1)Ux(k)Dx(k1)(1)Dx(k)(bLx(k得
Ux(k)xx(k1)(DL)1(1)DUx(k)(D迭代矩陣為
M(DL)1(1)DUfunctionM%用途:SOR迭代求解方程組while for ifx1(1)=(b(1)-elseifx1(i)=(b(i)-A(i,1:i-1)*x(1:i-1)-ifnorm(x0-x,inf)<ep,break;end松弛因子的選取對(duì)收斂速度影響極大,最優(yōu)松弛因子A為對(duì)稱(chēng)正定的三對(duì)角矩陣時(shí),有:1 11 1(B)22其中(B)為Jacibi迭代矩陣的譜半徑 迭代方法評(píng)JacobiG-S:減少 量,要求計(jì)算順SORG-SG-SJacobi
x(k1)D1(LU)x(k
x(k1)(DL)1Ux(k)(D x(k1)(DL)1[(1)DU]x(k)(D矩 再探討:Ax xMx AE
E1存在且方程組Exd容易求解AxAxbExFx xE1(Fx
a1n
0
a1n
0 a
2n
2n
nn
nn AAD(LU
Axb Dx(LU)xb
x(k1)D1(LU)x(k)A(DL)
Axb (DL)xUxG-S:x(k1)(DL)1Ux(k)(DA1DL1DU AxbAxb
A(DL)[(1)DU(DL)x[(1)DU]x
x(k1)(DL)1[(1)DU]x(k)(DA1D1DA JOR:x(k1)(ID1A)x(k)A1I1IA
Richardson
x(k1)(IA)x(k)GeneralRichardson
diag(1,2,,nx(k1)(IA)x(k)A1DL1DU 1DU1DL
x(k1)Sx(kSM
M(DU)1[(1)DN(DL)1[(1)DUg(2)(DU)1(DL)1 矩陣的譜定義3.3設(shè)A為方陣,i(i12,n)為A的特征值,稱(chēng)特征值模的最大值為矩陣的譜半徑,記為:(A)max結(jié)論:、Ak)、(A) A其中為任意由向量范數(shù)誘導(dǎo)出的矩陣范數(shù)3、0,存在一種矩陣范數(shù),使得A(A) 2當(dāng)A為對(duì)稱(chēng)矩陣時(shí),有(A) 2
(A)(A)4An
limAk(A)k4、設(shè)A為n階方陣limAkA)k證明
Ak
[(A)]k (Ak)
(A)""對(duì)任意存在一種范數(shù),使A(A)(A)1,存在范數(shù),使 A而
A
limAk limAkx,xk k迭代法的收斂定理3.6對(duì)任意初始向量x0右端項(xiàng)x(k1)Mx(k
(k0,1,2,)產(chǎn)生的向量序列{xk)}收斂的充要條件是:(M)推論:若 則對(duì)任意初始向量x( 右端項(xiàng)x(k1)Mx(k)
(k0,12,產(chǎn)生的序列x(k)收斂定理3.6:xk1收斂(M)
x(k1)Mx(k)limAkx,xRnlimAkk k
limAk(A)k"若xk1)x*
x*Mx*x(k
x*Mx(k)
Mk(x(0)x*Mk (M
(M)
(IM)xg存在唯一解xk1x*Mx(k)Mx*Mkx0)x*(M)1Mk x(k1)x*推論:逐次松弛法收斂的必要條件是:0證明:逐次超松弛法的迭代矩陣為M(DL)-1[(1-)DUdet(M)(DL)- (1-)D (1-)n (1-)na11
det(M
[(M
由定理 (M)det(M
(1)n 得0 x12x22x3x 2x2 2 2A
2L
U 2
0 00DL (DL)1 00
2 ID1A1
0IMJ
3MJ0Jacobi迭代法 0
2 0 2M
0
2
0
2I
2
(2)2定義:若n階方陣A(aij)滿足n
j
(i1,2,,且至少有一個(gè)i值,使上式不等號(hào)嚴(yán)格成立,則稱(chēng)A為弱對(duì)角占優(yōu)陣。若對(duì)所有i,上式中不等號(hào)均嚴(yán)格成立,則稱(chēng)A為嚴(yán)格對(duì)角占優(yōu)陣。
5 5 A
65 A65
定義3.5---不可約矩陣如果矩陣A不能通過(guò)行的互換和相應(yīng)列的互換成為形 22其中 A22為方陣,則稱(chēng)矩陣A不可約不存在排列矩陣P,使PTAP
A12 22 0
A
B1 2結(jié)論若A沒(méi)有零元素,則A
n3時(shí)A只有一個(gè)零元素A不可設(shè)A(aij)為n階矩陣(n2若存在非空集合I1,2,使得當(dāng)iIjI時(shí),有aij0則A是可約陣。幾種常用的判別收斂條件:已知Ax1、若A為嚴(yán)格對(duì)角占優(yōu)陣或不可約弱對(duì)角占優(yōu)陣,則Jacobi迭代法與G-S迭代法收斂。2、若A為嚴(yán)格對(duì)角占優(yōu)陣,01則SOR法收斂3、若A為對(duì)稱(chēng)正定矩陣,則SOR法收斂的充要條件是02.、Jacobi:A為嚴(yán)格對(duì)角占優(yōu)或不可約弱對(duì)角2、G-SA為嚴(yán)格對(duì)角占優(yōu)不可約弱對(duì)角占優(yōu)3、SORA為對(duì)稱(chēng)正定矩陣(0嚴(yán)格對(duì)角占優(yōu)(0
判別迭代法收斂的步驟1、先觀察系數(shù)矩陣A是否對(duì)稱(chēng)正定或?qū)钦?、給出迭 ,討論迭代矩陣的譜半例:JacobiGauss-SeidelAxb,
A b
-1 A 1
A對(duì)稱(chēng)正定,G-S迭代法收 12 22 1Jacobi的迭代矩陣B
1(LU) 21 1 0 IB03-5-3 B)1Jacobi迭代發(fā)散。
A為不可約弱對(duì)角占優(yōu),Jacobi和G-S迭代法均收例
Ax 1 A 0.5 b 2 0.5
2
2 3
1A1Jacobi,G-S01的SORJacobi迭 x(k1)0.9x(k
0.05x(k) x(k
0.25x(k
0.5x(k
x(k1)0.1x(k(k(k
G-S迭 1x(k1)0.9x(k1
0.05x(k)x(k
0.25x(k
0.5x(k)(k
1(k
3(k
2323
01x(k1
(1)x(k
(0.9x(k)0.05x(k
1x(k1
(1)x(k
(0.25x(k
0.5x(k)(k
2(k
1(k
3(k1)1
(1)x3
誤差估定理3.7設(shè)有迭代格式xk1)Mx(k)Mk收斂于x,且有誤差估Mk
g若M1,則x(kx(k
1
x(1)x(
(3 M1(M)3.6,limx(k)xxMxx(k
xM(xk1x)Mk(x(0)x兩邊取范
x(k
M
x(
x* x(0)
x(0)x*Mk又 Mk
1,所以有:
x(0
x
x x(01 即:xk1
1
x(1)x(0
證畢。注 由定理3.7易得 M越小,{x(k)}收斂越若給定精度(誤差限),由(322)(1(1Mx(1)x(0)lnM定理3在定理3.7的條件下Mx(k)
1
x(k)x(k證明:x(k)兩邊取
xM(x(k1)xx(k)
x(k
M同時(shí)由M
x(k
x(k1)x(k
x(k
當(dāng) 1時(shí)
x(k
1
x(k)x(k注2.
x(k)x(k
作為停止準(zhǔn) 最速下降法與共軛梯求解Axb,
其中A對(duì)稱(chēng)正定可轉(zhuǎn)化為極值問(wèn) (x)1xTAxbTx1Ax,xb,x 因 (x)Ax求解Axb求x)的極小值 Ax*b min(x)1x*TAx*bT
(x)1xTAxbTx1Ax,xb,x 函數(shù)(x)具有以下性質(zhì):梯 (x)Axx,yRn,2(x+y)1A(x+y),(x+y)b,(x+y)2=(x)Axb,y2 Ay,2Ax*,則x*)1bx*1Ax*,x* 且xRn,xx*)1Axxbx1bx* =1A(xx*),(xx*)23.:(x*)min(證明:必要性.Ax*b,由性質(zhì)(3)及對(duì)稱(chēng)正(x)(x*)1A(xx*),(xx*)2即x*)min充分性
i
ai2
ain
)
i1,2,,=Ax若(x*)min( 則(x)在x*處從而Ax*b證最速下
(x)1xTAxbT2(x)Axstep1:從初始點(diǎn)x0)出發(fā)找負(fù)梯度方向r0)r0)x0bAx0搜索方向step2:在r0方向上求x)的極小值點(diǎn)x(1(x(1))min(x(0)r(0)
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