第四章 线性方程组迭代解法 (2)优秀课件.ppt

《第四章 线性方程组迭代解法 (2)优秀课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第四章 线性方程组迭代解法 (2)优秀课件.ppt（75页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第四章 线性方程组迭代解法第1页，本讲稿共75页第四章目录1 1 向量序列与矩阵序列的极限向量序列与矩阵序列的极限2 JacobiJacobi迭代法迭代法3 GaussSeidelGaussSeidel迭代法迭代法4 松驰法松驰法5 迭代法的收敛条件及误差估计迭代法的收敛条件及误差估计迭代法的收敛条件及误差估计迭代法的收敛条件及误差估计 5.1 矩阵的谱半径矩阵的谱半径 5.2 迭代法的收敛条件迭代法的收敛条件 5.3 误差估计误差估计第2页，本讲稿共75页第四章 方程组的迭代解法概述 这一章讨论线性方程组的另一类解法这一章讨论线性方程组的另一类解法这一章讨论线性方程组的另一类解法这一章讨论线

2、性方程组的另一类解法迭代法，由于迭代法，由于迭代法，由于迭代法，由于迭代法能充分避免系数矩阵中零元的存贮与计算，因此特别迭代法能充分避免系数矩阵中零元的存贮与计算，因此特别迭代法能充分避免系数矩阵中零元的存贮与计算，因此特别迭代法能充分避免系数矩阵中零元的存贮与计算，因此特别适用于求解系数矩阵阶数很高而零元素又很多（即大型稀疏）适用于求解系数矩阵阶数很高而零元素又很多（即大型稀疏）适用于求解系数矩阵阶数很高而零元素又很多（即大型稀疏）适用于求解系数矩阵阶数很高而零元素又很多（即大型稀疏）的线性方程组。的线性方程组。的线性方程组。的线性方程组。解线性方程组的迭代法的基本思想与解方程的迭代法相解线

3、性方程组的迭代法的基本思想与解方程的迭代法相解线性方程组的迭代法的基本思想与解方程的迭代法相解线性方程组的迭代法的基本思想与解方程的迭代法相似，首先将方程组似，首先将方程组似，首先将方程组似，首先将方程组AxAx=b b化为等价方程组化为等价方程组化为等价方程组化为等价方程组x x=MxMx+g g，其中，其中，其中，其中MM为为为为n n阶方阵，阶方阵，阶方阵，阶方阵，b b=(=(b b1 1,b b2 2,b bn n)T T，g g R Rn n，任取初始向量，任取初始向量，任取初始向量，任取初始向量x x(0)(0)R Rn n，代入迭代公式：代入迭代公式：代入迭代公式：代入迭代公式

4、：产生向量序列产生向量序列产生向量序列产生向量序列 x x(k k)，若此序列收敛于，若此序列收敛于，若此序列收敛于，若此序列收敛于x x*，则有，则有，则有，则有x x*=*=MxMx*+g+g，即，即，即，即x x*为原方程组的解。因此，可根据精度要求选择一个合适的为原方程组的解。因此，可根据精度要求选择一个合适的为原方程组的解。因此，可根据精度要求选择一个合适的为原方程组的解。因此，可根据精度要求选择一个合适的x x(k k)（k k充分大时）作为近似解，这就是解线性方程组的迭代法，充分大时）作为近似解，这就是解线性方程组的迭代法，充分大时）作为近似解，这就是解线性方程组的迭代法，充分大

5、时）作为近似解，这就是解线性方程组的迭代法，上式称为迭代格式，上式称为迭代格式，上式称为迭代格式，上式称为迭代格式，MM称为迭代矩阵，若序列称为迭代矩阵，若序列称为迭代矩阵，若序列称为迭代矩阵，若序列 x x(k k)极限存极限存极限存极限存在，称此迭代过程收敛，否则称为发散。在，称此迭代过程收敛，否则称为发散。在，称此迭代过程收敛，否则称为发散。在，称此迭代过程收敛，否则称为发散。第3页，本讲稿共75页1 向量与矩阵的范数 与求解方程类似，需要讨论的问题是：如何建与求解方程类似，需要讨论的问题是：如何建与求解方程类似，需要讨论的问题是：如何建与求解方程类似，需要讨论的问题是：如何建立迭代公式

6、，向量序列的收敛条件是什么，若向量立迭代公式，向量序列的收敛条件是什么，若向量立迭代公式，向量序列的收敛条件是什么，若向量立迭代公式，向量序列的收敛条件是什么，若向量序列序列序列序列 x x(k k)收敛，如何进行误差估计？收敛，如何进行误差估计？收敛，如何进行误差估计？收敛，如何进行误差估计？第4页，本讲稿共75页4.1 向量与矩阵的范数 这三个性质刻画了向量长度的基本特征，并可以用其将平这三个性质刻画了向量长度的基本特征，并可以用其将平这三个性质刻画了向量长度的基本特征，并可以用其将平这三个性质刻画了向量长度的基本特征，并可以用其将平面向量长度的概念推广到一般面向量长度的概念推广到一般面向

7、量长度的概念推广到一般面向量长度的概念推广到一般n n维向量，于是有如下定义：维向量，于是有如下定义：维向量，于是有如下定义：维向量，于是有如下定义：定义定义定义定义1 1下屏将给出范数的种类：下屏将给出范数的种类：下屏将给出范数的种类：下屏将给出范数的种类：第5页，本讲稿共75页常用的向量范数 容易证明它们都满足上述三条性质。可以看出，容易证明它们都满足上述三条性质。可以看出，容易证明它们都满足上述三条性质。可以看出，容易证明它们都满足上述三条性质。可以看出，2 2范范范范数是平面向量长度计算公式在形式上的推广，也是线性代数是平面向量长度计算公式在形式上的推广，也是线性代数是平面向量长度计算

8、公式在形式上的推广，也是线性代数是平面向量长度计算公式在形式上的推广，也是线性代数中的内积定义。此处引入多种范数来刻画向量的大小，数中的内积定义。此处引入多种范数来刻画向量的大小，数中的内积定义。此处引入多种范数来刻画向量的大小，数中的内积定义。此处引入多种范数来刻画向量的大小，是为了在不同情况下用不同的范数研究问题。是为了在不同情况下用不同的范数研究问题。是为了在不同情况下用不同的范数研究问题。是为了在不同情况下用不同的范数研究问题。向量范数的证明：（只对第三条）向量范数的证明：（只对第三条）向量范数的证明：（只对第三条）向量范数的证明：（只对第三条）对对对对 范数：前面范数：前面范数：前面

9、范数：前面2 2条显然，对第三条，由于对任意实数条显然，对第三条，由于对任意实数条显然，对第三条，由于对任意实数条显然，对第三条，由于对任意实数x x,y y，绝对值不等式：，绝对值不等式：，绝对值不等式：，绝对值不等式：|x x+y|y|x|+|y|x|+|y|成立，因而有成立，因而有成立，因而有成立，因而有:分别称为向量分别称为向量x的的2 2范数，范数，1范数，无穷范数。范数，无穷范数。第6页，本讲稿共75页对2范数利用实数的柯西不等式利用实数的柯西不等式：于是，有：于是，有：常用的向量范数（续）常用的向量范数（续）第7页，本讲稿共75页Rn中范数的等价性 例如可证明如下等价性：例如可证

10、明如下等价性：例如可证明如下等价性：例如可证明如下等价性：所以，所以，所以，所以，2 2范范范范数与数与数与数与 范数范数范数范数是等价的。是等价的。是等价的。是等价的。不难证明：不难证明：不难证明：不难证明：亦即亦即1范数与范数与 范数是等价的范数是等价的。事实上事实上事实上事实上:Rn n 中任意中任意两种范数两种范数都是等价都是等价的的。第8页，本讲稿共75页矩阵范数 定义定义2 2对任意对任意对任意对任意n n阶方阵阶方阵阶方阵阶方阵A A=(=(a aij ij)n n n n，若对应一个非负实，若对应一个非负实，若对应一个非负实，若对应一个非负实数数数数|A A|，满足：，满足：，

11、满足：，满足：则称则称|A|为矩阵为矩阵A的范数。的范数。与向量范数定义比较，前三条性质只是向量范与向量范数定义比较，前三条性质只是向量范与向量范数定义比较，前三条性质只是向量范与向量范数定义比较，前三条性质只是向量范数定义的推广，而第四条性质则是矩阵乘法性质数定义的推广，而第四条性质则是矩阵乘法性质的要求，它使矩阵范数在数值计算中使用更方便。的要求，它使矩阵范数在数值计算中使用更方便。第9页，本讲稿共75页常用的矩阵范数常用的矩阵范数有：常用的矩阵范数有：常用的矩阵范数有：常用的矩阵范数有：它们分别叫做矩阵的它们分别叫做矩阵的它们分别叫做矩阵的它们分别叫做矩阵的 范数，范数，范数，范数，1

12、1范数，范数，范数，范数，2 2范数，范数，范数，范数，F F范数，范数，范数，范数，矩阵矩阵矩阵矩阵F F范数是向量范数是向量范数是向量范数是向量2 2范数的推广，矩阵范数的推广，矩阵范数的推广，矩阵范数的推广，矩阵 范数，范数，范数，范数，1 1范数计算范数计算范数计算范数计算容易，而矩阵容易，而矩阵容易，而矩阵容易，而矩阵2 2范数与范数与范数与范数与A AT TA A的特征值有关，所以又称为谱的特征值有关，所以又称为谱的特征值有关，所以又称为谱的特征值有关，所以又称为谱范数，它的计算较困难，但因为它有一些好的性质，所范数，它的计算较困难，但因为它有一些好的性质，所范数，它的计算较困难，

13、但因为它有一些好的性质，所范数，它的计算较困难，但因为它有一些好的性质，所以也是常用的范数。以也是常用的范数。以也是常用的范数。以也是常用的范数。第10页，本讲稿共75页常用的矩阵范数（续）可以证明，这些范数都满足定义可以证明，这些范数都满足定义2 2。以以以以|A A|为例，前为例，前为例，前为例，前2 2条性质显然成立，而对：条性质显然成立，而对：条性质显然成立，而对：条性质显然成立，而对：第11页，本讲稿共75页最大行和矩阵范数的证明第12页，本讲稿共75页最大行和矩阵范数的证明第13页，本讲稿共75页范数的相容性 在误差估计中，由于矩阵与向量会同时用到，我们总在误差估计中，由于矩阵与向

14、量会同时用到，我们总在误差估计中，由于矩阵与向量会同时用到，我们总在误差估计中，由于矩阵与向量会同时用到，我们总希望有上面的不等式成立，希望有上面的不等式成立，希望有上面的不等式成立，希望有上面的不等式成立，但对任意的向量范数与矩阵范但对任意的向量范数与矩阵范但对任意的向量范数与矩阵范但对任意的向量范数与矩阵范数却未必如此，因而特别地把满足此不等式的范数称为相数却未必如此，因而特别地把满足此不等式的范数称为相数却未必如此，因而特别地把满足此不等式的范数称为相数却未必如此，因而特别地把满足此不等式的范数称为相容的，可以证明，上述常用的范数是相容的，即有：容的，可以证明，上述常用的范数是相容的，即

15、有：容的，可以证明，上述常用的范数是相容的，即有：容的，可以证明，上述常用的范数是相容的，即有：在使用范数时，应选用相容的矩阵范数与向量范数。在使用范数时，应选用相容的矩阵范数与向量范数。在使用范数时，应选用相容的矩阵范数与向量范数。在使用范数时，应选用相容的矩阵范数与向量范数。分别称为分别称为分别称为分别称为 的关于的关于的关于的关于P P范数的范数的范数的范数的绝对误差与相对误差。绝对误差与相对误差。绝对误差与相对误差。绝对误差与相对误差。有了矩阵范数，就可以用它描述矩阵的误差，设有了矩阵范数，就可以用它描述矩阵的误差，设有了矩阵范数，就可以用它描述矩阵的误差，设有了矩阵范数，就可以用它描

16、述矩阵的误差，设 是是是是A A的的的的近似矩阵，近似矩阵，近似矩阵，近似矩阵，称为称为称为称为 的的的的残差阵残差阵，则：，则：，则：，则：第14页，本讲稿共75页求范数举例例例例例10第15页，本讲稿共75页 向量序列与矩阵序列的极限 与求解方程类似，需要讨论的问题是：如何建与求解方程类似，需要讨论的问题是：如何建与求解方程类似，需要讨论的问题是：如何建与求解方程类似，需要讨论的问题是：如何建立迭代公式，向量序列的收敛条件是什么，若向量立迭代公式，向量序列的收敛条件是什么，若向量立迭代公式，向量序列的收敛条件是什么，若向量立迭代公式，向量序列的收敛条件是什么，若向量序列序列序列序列 x x

17、(k k)收敛，如何进行误差估计？收敛，如何进行误差估计？收敛，如何进行误差估计？收敛，如何进行误差估计？1 1 向量序列与矩阵序列的极限向量序列与矩阵序列的极限 由于由于由于由于R Rn n中的向量可与中的向量可与中的向量可与中的向量可与R Rn n的点建立一一对应关系，的点建立一一对应关系，的点建立一一对应关系，的点建立一一对应关系，因此由点列的收敛概念及向量范数的等价性，可得因此由点列的收敛概念及向量范数的等价性，可得因此由点列的收敛概念及向量范数的等价性，可得因此由点列的收敛概念及向量范数的等价性，可得到向量序列的收敛概念。到向量序列的收敛概念。到向量序列的收敛概念。到向量序列的收敛概

18、念。定义定义定义定义3 3第16页，本讲稿共75页 向量序列与矩阵序列的极限（续）n n维点列收敛的一种等价描述是其对应坐标序列均维点列收敛的一种等价描述是其对应坐标序列均维点列收敛的一种等价描述是其对应坐标序列均维点列收敛的一种等价描述是其对应坐标序列均收敛，向量序列也有类似的结论。收敛，向量序列也有类似的结论。收敛，向量序列也有类似的结论。收敛，向量序列也有类似的结论。定理定理定理定理1 1 第17页，本讲稿共75页矩阵序列的收敛概念及定理定义定义定义定义3 3完全类似地，可以定义矩阵序列的收敛：完全类似地，可以定义矩阵序列的收敛：完全类似地，可以定义矩阵序列的收敛：完全类似地，可以定义矩

19、阵序列的收敛：与向量序列类似，也有：与向量序列类似，也有：与向量序列类似，也有：与向量序列类似，也有：定理定理定理定理2 2 第18页，本讲稿共75页4.3 矩阵的谱半径矩阵的谱半径矩阵的谱半径矩阵的谱半径 迭代法的收敛性与迭代矩阵的特征值有关：迭代法的收敛性与迭代矩阵的特征值有关：迭代法的收敛性与迭代矩阵的特征值有关：迭代法的收敛性与迭代矩阵的特征值有关：设设设设A A为为为为n n阶方阵，阶方阵，阶方阵，阶方阵，i i(i i=1,2,=1,2,，n n)为为为为A A的特征值，的特征值，的特征值，的特征值，称特征值模的最大值为矩阵称特征值模的最大值为矩阵称特征值模的最大值为矩阵称特征值模

20、的最大值为矩阵A A的谱半径，记为：的谱半径，记为：的谱半径，记为：的谱半径，记为：定义定义定义定义5 5第19页，本讲稿共75页矩阵的谱半径（续）矩阵的谱半径与范数之间有如下关系：矩阵的谱半径与范数之间有如下关系：矩阵的谱半径与范数之间有如下关系：矩阵的谱半径与范数之间有如下关系：设设设设x x为对应于特征值为对应于特征值为对应于特征值为对应于特征值 的的的的A A的特征向量，则由：的特征向量，则由：的特征向量，则由：的特征向量，则由：这个不等式对这个不等式对这个不等式对这个不等式对A A的任何范数、任意特征值都成立，的任何范数、任意特征值都成立，的任何范数、任意特征值都成立，的任何范数、任

21、意特征值都成立，因此，可得矩阵因此，可得矩阵因此，可得矩阵因此，可得矩阵A A的谱半径与的谱半径与的谱半径与的谱半径与A A的范数之间的一个重要的范数之间的一个重要的范数之间的一个重要的范数之间的一个重要关系：关系：关系：关系：A A的谱半径不超过的谱半径不超过的谱半径不超过的谱半径不超过A A的任一种范数。即：的任一种范数。即：的任一种范数。即：的任一种范数。即：第20页，本讲稿共75页公式 的重要性说明 它之所以重要是因为：它之所以重要是因为：它之所以重要是因为：它之所以重要是因为：(A A)难计算，而难计算，而难计算，而难计算，而|A A|、|A A|1 1计算容易，并且对于任意正数计算

22、容易，并且对于任意正数计算容易，并且对于任意正数计算容易，并且对于任意正数 ，存在一种矩阵范数，存在一种矩阵范数，存在一种矩阵范数，存在一种矩阵范数很接近很接近很接近很接近 (A A)，使得成立：，使得成立：，使得成立：，使得成立：对任意对任意对任意对任意n n阶方阵阶方阵阶方阵阶方阵A A，一般不存在矩阵范数使，一般不存在矩阵范数使，一般不存在矩阵范数使，一般不存在矩阵范数使 (A A)=|)=|A|A|，但若，但若，但若，但若A A为对称矩阵，则有：为对称矩阵，则有：为对称矩阵，则有：为对称矩阵，则有：下面的结论对建立迭代法的收敛条件十分重要下面的结论对建立迭代法的收敛条件十分重要下面的结

23、论对建立迭代法的收敛条件十分重要下面的结论对建立迭代法的收敛条件十分重要 ：定理定理定理定理3 3第21页，本讲稿共75页定理3（续）证明：证明：证明：证明：第22页，本讲稿共75页由由由由5.1 5.1 的结果，可以得到如下收敛定理的结果，可以得到如下收敛定理的结果，可以得到如下收敛定理的结果，可以得到如下收敛定理 ：定理定理定理定理4 4对任意初始向量对任意初始向量对任意初始向量对任意初始向量x x(0)(0)和右端项和右端项和右端项和右端项g g，由迭代格式：，由迭代格式：，由迭代格式：，由迭代格式：证明：证明：证明：证明：第23页，本讲稿共75页推论推论推论推论1 1第24页，本讲稿共

24、75页 可以看出，后两个方程组与第一个方程组相可以看出，后两个方程组与第一个方程组相可以看出，后两个方程组与第一个方程组相可以看出，后两个方程组与第一个方程组相比，系数矩阵或右端向量仅有比，系数矩阵或右端向量仅有0.0005以下的误差，以下的误差，但准确解却相差很大。但准确解却相差很大。4.2 方程组的误差分析 数值稳定的算法是否一定能求得精度比较高数值稳定的算法是否一定能求得精度比较高的解呢？回答是不一定，解的精度还与方程组本的解呢？回答是不一定，解的精度还与方程组本身的性态有关，下面来考察几个例：身的性态有关，下面来考察几个例：例例例例11第25页，本讲稿共75页例例12若其系数，常数项改

25、用三位有效数字的小数表示，若其系数，常数项改用三位有效数字的小数表示，若其系数，常数项改用三位有效数字的小数表示，若其系数，常数项改用三位有效数字的小数表示，则方程组为则方程组为：第26页，本讲稿共75页右端项右端项b产生产生0.1%的变化的变化引起解的变化引起解的变化最大变化最大变化184%。初始数据的误差（相对）初始数据的误差（相对）0.3%=0.003，而解的相对误差却超过而解的相对误差却超过50%。例例13第27页，本讲稿共75页方程组的性态讨论 病态、良态 在许多实际问题中，线性方程组的系数矩阵和在许多实际问题中，线性方程组的系数矩阵和右端项的元素大多为前面计算的结果，因此上述右端项

26、的元素大多为前面计算的结果，因此上述例中的微小误差是避免不了。而对上述例中的方例中的微小误差是避免不了。而对上述例中的方例中的微小误差是避免不了。而对上述例中的方例中的微小误差是避免不了。而对上述例中的方程组，无论用多么稳定的算法求解，计算中产生程组，无论用多么稳定的算法求解，计算中产生的微小误差就使解面目全非，所以这些方程组的的微小误差就使解面目全非，所以这些方程组的性态是很差的。性态是很差的。当方程组当方程组当方程组当方程组Ax=b的系数矩阵与右端向量的系数矩阵与右端向量b的微的微的微的微小变动（小扰动）而引起解严重失真时，称此方小变动（小扰动）而引起解严重失真时，称此方程组为病态方程组，

27、其系数矩阵程组为病态方程组，其系数矩阵A称为病态矩阵，称为病态矩阵，否则称为良态方程组，否则称为良态方程组，A称为良态矩阵，为了定量称为良态矩阵，为了定量称为良态矩阵，为了定量称为良态矩阵，为了定量刻画方程组刻画方程组“病态病态”的程度，下面对方程组的程度，下面对方程组Ax=b在在在在系数矩阵系数矩阵A A及右端项及右端项b有扰动的几种情形进行讨论。有扰动的几种情形进行讨论。有扰动的几种情形进行讨论。有扰动的几种情形进行讨论。第28页，本讲稿共75页 此不等式表明，当右端项有扰动时，解的相对误差不此不等式表明，当右端项有扰动时，解的相对误差不此不等式表明，当右端项有扰动时，解的相对误差不此不等

28、式表明，当右端项有扰动时，解的相对误差不超过超过超过超过b b的相对误差的的相对误差的的相对误差的的相对误差的 倍。倍。倍。倍。首先考察右端项首先考察右端项b的扰动对解的影响，设的扰动对解的影响，设b有扰有扰动动动动 b，A为准确为准确为准确为准确,记引起解记引起解x的扰动为的扰动为的扰动为的扰动为 x,即：即：第29页，本讲稿共75页方程组的性态讨论（续2）当当当当b b为精确的而为精确的而A A有微小扰动有微小扰动有微小扰动有微小扰动 A时，在时，在时，在时，在 A充分小时也充分小时也同样可推得：同样可推得：紧接下屏讨论：紧接下屏讨论：第30页，本讲稿共75页第31页，本讲稿共75页方程组

29、的性态讨论续（3）而当而当而当而当A A,b b同时有微小扰动同时有微小扰动同时有微小扰动同时有微小扰动 A A，b b时，则可进一步导出更时，则可进一步导出更时，则可进一步导出更时，则可进一步导出更一般的误差估计式：一般的误差估计式：一般的误差估计式：一般的误差估计式：注意到：注意到：第32页，本讲稿共75页在在 b充分小时，充分小时，此式右端实际上即此式右端实际上即为：为：方程组的性态讨论续（4）第33页，本讲稿共75页矩阵的条件数 在三种情况下得到的这三个不等式反映了解的相对误在三种情况下得到的这三个不等式反映了解的相对误在三种情况下得到的这三个不等式反映了解的相对误在三种情况下得到的这

30、三个不等式反映了解的相对误差与差与差与差与A A及及及及b b的相对误差的关系；数的相对误差的关系；数的相对误差的关系；数的相对误差的关系；数|A|AA|A-1-1|越小，解的相对越小，解的相对越小，解的相对越小，解的相对误差也越小；反之数误差也越小；反之数误差也越小；反之数误差也越小；反之数|A|AA|A-1-1|越大，解的相对误差也越大，越大，解的相对误差也越大，越大，解的相对误差也越大，越大，解的相对误差也越大，实际上这个数反映了解对方程组原始数据的敏感程度，揭实际上这个数反映了解对方程组原始数据的敏感程度，揭实际上这个数反映了解对方程组原始数据的敏感程度，揭实际上这个数反映了解对方程组

31、原始数据的敏感程度，揭示了矩阵示了矩阵示了矩阵示了矩阵A A和方程组本身的性态，称之为方程组或矩阵和方程组本身的性态，称之为方程组或矩阵和方程组本身的性态，称之为方程组或矩阵和方程组本身的性态，称之为方程组或矩阵A A的的的的条件数条件数，记作：，记作：，记作：，记作：condcond(A A)越大，越大，越大，越大，A A的病态程度越严重。至于的病态程度越严重。至于的病态程度越严重。至于的病态程度越严重。至于condcond(A A)多大才多大才多大才多大才算病态，这是一个相对概念，没有一个严格的数量界限。算病态，这是一个相对概念，没有一个严格的数量界限。算病态，这是一个相对概念，没有一个严

32、格的数量界限。算病态，这是一个相对概念，没有一个严格的数量界限。第34页，本讲稿共75页判断病态矩阵的几点参考 求条件数要计算逆阵的范数，很不方便，如下一些求条件数要计算逆阵的范数，很不方便，如下一些现象可作为判断病态矩阵的参考。现象可作为判断病态矩阵的参考。（1 1）在用主元消去法时消元过程出现小主元（如例）在用主元消去法时消元过程出现小主元（如例）在用主元消去法时消元过程出现小主元（如例）在用主元消去法时消元过程出现小主元（如例1212）（2 2）矩阵）矩阵）矩阵）矩阵A A中元素间数量级相差很大；中元素间数量级相差很大；中元素间数量级相差很大；中元素间数量级相差很大；（3 3）A A的行

33、列式的行列式的行列式的行列式det(det(A A)满足（行列式值相对很大）满足（行列式值相对很大）满足（行列式值相对很大）满足（行列式值相对很大）：（4 4）矩阵的某些行（或列）近似相关（如例）矩阵的某些行（或列）近似相关（如例）矩阵的某些行（或列）近似相关（如例）矩阵的某些行（或列）近似相关（如例1111）。）。）。）。第35页，本讲稿共75页利用条件数判断矩阵的性态举例A A的条件数很大，所以方程组是病态的。的条件数很大，所以方程组是病态的。的条件数很大，所以方程组是病态的。的条件数很大，所以方程组是病态的。的特例，它是典型的的特例，它是典型的的特例，它是典型的的特例，它是典型的“病态病

34、态病态病态”阵，阵，阵，阵，n n越大，越大，越大，越大，“病态病态病态病态”越严越严越严越严重，重，重，重，如如如如n n=6=6时，时，时，时，condcond(A A)=2910)=29106 6，对严重，对严重，对严重，对严重“病态病态病态病态”的方程组，的方程组，的方程组，的方程组，即即即即使用主元素法求解也难以保证数值稳定性。使用主元素法求解也难以保证数值稳定性。使用主元素法求解也难以保证数值稳定性。使用主元素法求解也难以保证数值稳定性。第36页，本讲稿共75页3 雅可比（Jacobi）迭代法 设有设有设有设有n n阶线性方程组：阶线性方程组：阶线性方程组：阶线性方程组：简记为：简

35、记为：简记为：简记为：其系数矩阵其系数矩阵其系数矩阵其系数矩阵A A非奇异，不妨设非奇异，不妨设非奇异，不妨设非奇异，不妨设a aii ii 0(1,2,0(1,2,n n)可将上式可将上式可将上式可将上式改写为等价方程组：改写为等价方程组：改写为等价方程组：改写为等价方程组：第37页，本讲稿共75页雅可比（Jacobi）迭代法（续）也可写作为：也可写作为：也可写作为：也可写作为：可简记为：可简记为：可简记为：可简记为：由此可建立迭代格式：由此可建立迭代格式：由此可建立迭代格式：由此可建立迭代格式：第38页，本讲稿共75页Jacobi迭代法定义 选取初始向量选取初始向量选取初始向量选取初始向量

36、x x(0)(0)代入（代入（代入（代入（4-44-4）右端，可得）右端，可得）右端，可得）右端，可得x x(1)(1)=BxBx(0)(0)+g g，再将再将再将再将x x(1)(1)代入（代入（代入（代入（3-43-4）右端，可得）右端，可得）右端，可得）右端，可得x x(2)(2)=BxBx(1)(1)+g g，如此继续下去，如此继续下去，如此继续下去，如此继续下去，就产生一个向量序列就产生一个向量序列就产生一个向量序列就产生一个向量序列 x x(k k)，按（，按（，按（，按（3-23-2）或（）或（）或（）或（3-33-3）格式迭代求解）格式迭代求解）格式迭代求解）格式迭代求解的方法

37、称为的方法称为的方法称为的方法称为雅可比（雅可比（雅可比（雅可比（JacobiJacobiJacobiJacobi）迭代法）迭代法）迭代法）迭代法，又叫，又叫，又叫，又叫简单迭代法简单迭代法简单迭代法简单迭代法。迭代式（迭代式（迭代式（迭代式（3-43-4）中的）中的）中的）中的B B 称为迭代矩阵，它可直接由（称为迭代矩阵，它可直接由（称为迭代矩阵，它可直接由（称为迭代矩阵，它可直接由（3-23-2）或（或（或（或（3-33-3）得到，也可用系数矩阵）得到，也可用系数矩阵）得到，也可用系数矩阵）得到，也可用系数矩阵A A来表示：来表示：来表示：来表示：若将系数矩阵若将系数矩阵若将系数矩阵若将

38、系数矩阵A A分解为分解为分解为分解为A A=D D L L U U，其中：其中：其中：其中：第39页，本讲稿共75页Jacobi迭代法定义（续）式（式（式（式（3-53-5）为简单迭代法的矩阵形式）为简单迭代法的矩阵形式）为简单迭代法的矩阵形式）为简单迭代法的矩阵形式。第40页，本讲稿共75页Jacobi迭代法举例用用用用JacobiJacobi迭代法求解线性方程组：迭代法求解线性方程组：迭代法求解线性方程组：迭代法求解线性方程组：例例例例1 1解解解解：由第一个方程解：由第一个方程解：由第一个方程解：由第一个方程解x x1 1，第二个方程解，第二个方程解，第二个方程解，第二个方程解x x2

39、 2，第三，第三，第三，第三个方程解个方程解个方程解个方程解x x3 3得得得得JoacbiJoacbi迭代格式为：迭代格式为：迭代格式为：迭代格式为：继续迭代下去，迭代结果见表继续迭代下去，迭代结果见表继续迭代下去，迭代结果见表继续迭代下去，迭代结果见表3-13-1：取取取取x x(0)(0)=(0,0,0)=(0,0,0)T T代入迭代式代入迭代式代入迭代式代入迭代式（3-63-6）或（）或（）或（）或（3-73-7）得：）得：）得：）得：第41页，本讲稿共75页Jacobi迭代法举例 0 00.00000.00000.00000.00000.00000.00001 17.20007.20

40、008.30008.30008.40008.40002 29.71009.710010.700010.700011.500011.50003 310.570010.570011.570011.570012.482012.48204 410.853510.853511.853411.853412.828212.82825 510.951010.951011.951011.951012.941412.94146 610.983410.983411.983411.983412.950412.95047 710.994410.994411.998111.998112.993412.99348 810.

41、998110.998111.994111.994112.997812.99789 910.999410.999411.999411.999412.999212.9992表表表表3-13-1k k x x1 1(k k)x x2 2(k k)x x3 3(k k)迭代迭代迭代迭代9 9次，得近似解次，得近似解次，得近似解次，得近似解x x(9)(9)=(10.9994,11.9994,12,9992)=(10.9994,11.9994,12,9992)T T，此方，此方，此方，此方程组的准确解为程组的准确解为程组的准确解为程组的准确解为x x=(11,12,13)=(11,12,13)T T，从

42、表，从表，从表，从表3-13-1可以看出，随着迭可以看出，随着迭可以看出，随着迭可以看出，随着迭代次数的增加，迭代结果越来越接近精确解。代次数的增加，迭代结果越来越接近精确解。代次数的增加，迭代结果越来越接近精确解。代次数的增加，迭代结果越来越接近精确解。第42页，本讲稿共75页 收敛条件收敛条件 迭代格式收敛的充要条件是G的谱半径1。对于Jacobi迭代，我们有一些保证收敛的充分条件定理：若A满足下列条件之一，则Jacobi迭代收敛。A为行对角占优阵 A为列对角占优阵第43页，本讲稿共75页证明：证毕第44页，本讲稿共75页例例例例4 4 讨论讨论讨论讨论JacobiJacobi迭代法的收敛

43、性。迭代法的收敛性。迭代法的收敛性。迭代法的收敛性。解：首先要求出迭代矩阵，解：首先要求出迭代矩阵，解：首先要求出迭代矩阵，解：首先要求出迭代矩阵，对对对对JacobiJacobi迭代法：迭代法：迭代法：迭代法：第45页，本讲稿共75页第46页，本讲稿共75页3 高斯塞德尔(Gauss-Seidel)迭代法 JacobiJacobi迭代法的优点是公式简单，迭代矩阵容易得到，迭代法的优点是公式简单，迭代矩阵容易得到，迭代法的优点是公式简单，迭代矩阵容易得到，迭代法的优点是公式简单，迭代矩阵容易得到，它又称为同时替换法：在每一步迭代计算过程中，计算它又称为同时替换法：在每一步迭代计算过程中，计算它

44、又称为同时替换法：在每一步迭代计算过程中，计算它又称为同时替换法：在每一步迭代计算过程中，计算x x(k k+1)+1)时是用时是用时是用时是用x x(k k)的全部分量代入求的全部分量代入求的全部分量代入求的全部分量代入求x x (k+1)(k+1)的全部分量。因此的全部分量。因此的全部分量。因此的全部分量。因此需同时保留两个近似解向量需同时保留两个近似解向量需同时保留两个近似解向量需同时保留两个近似解向量x x(k k)和和和和x x(k k+1)+1)。第47页，本讲稿共75页第48页，本讲稿共75页Gauss-Seidel迭代法求解 例例2 用用用用Gauss-SeidelGauss-

45、Seidel迭代法求解例迭代法求解例迭代法求解例迭代法求解例1 1 解：解：解：解：Gauss-SeidelGauss-Seidel迭代格式为：迭代格式为：迭代格式为：迭代格式为：仍取仍取仍取仍取x x (0)(0)=(0,0,0)=(0,0,0)T T，计算结果见下表：计算结果见下表：计算结果见下表：计算结果见下表：0 00.00000.00000.00000.00000.00000.00001 17.20007.20009.02009.020011.644011.64402 210.430810.430811.671911.671912.820512.82053 310.931310.93

46、1311.957211.957212.977812.97784 410.991310.991311.994711.994712.997212.99725 510.998910.998911.999311.999312.999612.99966 610.999910.999911.999911.999913.000013.0000k xk x1 1(k k)x x2 2(k k)x x3 3(k k)表表表表3-23-2 显然，用显然，用显然，用显然，用Gauss-SeidelGauss-Seidel迭代法比迭代法比迭代法比迭代法比JacobiJacobi迭代法收敛快，这个结论迭代法收敛快，这个

47、结论迭代法收敛快，这个结论迭代法收敛快，这个结论在多数情况下是成立的，但也有在多数情况下是成立的，但也有在多数情况下是成立的，但也有在多数情况下是成立的，但也有Gauss-SeidelGauss-Seidel迭代比迭代比迭代比迭代比JacuobiJacuobi迭代收迭代收迭代收迭代收敛慢，甚至还有敛慢，甚至还有敛慢，甚至还有敛慢，甚至还有JacobiJacobi迭代收敛，迭代收敛，迭代收敛，迭代收敛，Gauss-SeidelGauss-Seidel迭代发散的情形。迭代发散的情形。迭代发散的情形。迭代发散的情形。第49页，本讲稿共75页求例2中的Gauss-Seidel法的迭代阵M的两种方法第5

48、0页，本讲稿共75页求例2中的Gauss-Seidel法的迭代阵M的两种方法续1方法方法2：可按代入法求可按代入法求可按代入法求可按代入法求MM，以避免计算逆矩阵，在，以避免计算逆矩阵，在，以避免计算逆矩阵，在，以避免计算逆矩阵，在Gauss-Gauss-SeidelSeidel迭代式（迭代式（迭代式（迭代式（3-103-10）中，第）中，第）中，第）中，第 二个式子中的以第一个式子二个式子中的以第一个式子二个式子中的以第一个式子二个式子中的以第一个式子代替。可将第二式右端上标都化为代替。可将第二式右端上标都化为代替。可将第二式右端上标都化为代替。可将第二式右端上标都化为k k（可以不管常数）

49、：（可以不管常数）：（可以不管常数）：（可以不管常数）：第51页，本讲稿共75页求例2中的Gauss-Seidel法的迭代阵M的两种方法续2由于（由于（由于（由于（3-103-10）第一式及（）第一式及（）第一式及（）第一式及（3-113-11），），），），（3-123-12）的右端上标均为）的右端上标均为）的右端上标均为）的右端上标均为k k，即，即，即，即为同时替换迭代式，类似于为同时替换迭代式，类似于为同时替换迭代式，类似于为同时替换迭代式，类似于JacobiJacobi迭代法可直接由它们得迭代法可直接由它们得迭代法可直接由它们得迭代法可直接由它们得迭代阵为：迭代阵为：迭代阵为：迭代阵

50、为：第52页，本讲稿共75页 收敛条件收敛条件 迭代格式收敛的充要条件是G的谱半径1。我们看一些充分条件定理：若A满足下列条件之一，则Gauss-Seidel 迭代收敛。A为行或列对角占优阵 A对称正定阵第53页，本讲稿共75页证明：设G的特征多项式为，则为对角占优阵，则时为对角占优阵即即证毕注：注：二种方法都存在收敛性问题。有例子表明：Gauss-Seidel法收敛时，Jacobi法可能不收敛；而Jacobi法收敛时，Gauss-Seidel法也可能不收敛。第54页，本讲稿共75页两种迭代法举例例例例例4 4 讨论讨论讨论讨论JacobiJacobi迭代法与迭代法与迭代法与迭代法与Gauss