Численные методы
..pdfНа 53-м шаге итерационного процесса имеем
|
|
|
|
|
|
|
0,999865 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x53 |
|
|
2,000777 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4,00311 |
, |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
5,99726 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
4 |
x53 |
|
|
|
2 )1/ 2 1,55Е 06 |
1 |
|
|
||||
|
|
(x53 |
, x52 ) ( |
x52 |
. |
|
|||||||||
2 |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
i |
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
i 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
На 54-м шаге итерационного процесса имеем |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
0,999865 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x54 |
|
|
2,000777 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4,00311 |
, |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
5,99726 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
4 |
x54 |
|
|
|
2 )1/ 2 1,08Е 06 |
1 |
|
|
|
|||
|
|
(x54 |
, x53 ) ( |
x |
53 |
. |
|
||||||||
2 |
i |
|
|
|
|||||||||||
|
|
i 1 |
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Тогда решение системы с точностью 0,00001 : |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
0,99987 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
x x54 |
|
2,00078 |
|
|
||||||||
|
|
|
|
4,00311 |
. |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
5,99726 |
|
31 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
2.5. Метод Зейделя
Основная идея метода Зейделя состоит в том, что на каждом шаге итерационного процесса при вычислении очередного (k + 1)-го приближения учитываются уже найденные на этом этапе итерации приближения к неизвестным.
Пусть система преобразована к виду (2.29), пригодному для итераций
|
|
a ij |
|
|
bi |
|
x Bx c , |
bij |
a ii |
, |
ci |
aii |
. |
A
На (k+1)-й итерации компоненты приближения xk+1 вычисляются по формулам
x1k 1 |
|
|
n |
|
|
i 1 |
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
b1 j x kj |
c1 , |
xik 1 |
|
bij xkj |
1 |
bij xkj |
ci , |
2 i n. |
(2.30) |
|||||||
|
|
j 1 |
|
|
|
j 1 |
|
|
j i |
|
|
|
|
|
|
|
Введем нижнюю и верхнюю треугольные матрицы |
|
|
||||||||||||||
|
|
|
0 |
0 |
0 |
0 |
|
|
|
|
|
0 |
b12 |
... |
b1n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т |
Н |
b21 |
0 |
0 |
0 |
, |
|
Т |
В |
|
0 |
0 |
... |
b2n , |
|
|
|
... ... |
... |
... |
|
|
... ... |
... |
... |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
bnn 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
bn1 ... |
0 |
|
|
|
|
|
0 |
0 |
0 |
0 |
|
||
тогда матрица B TН TВ .
Расчетные формулы метода в компактном виде:
xk 1 Т Н xk 1 Т В xk с
A
33
x2
l1 |
x(0) |
l2
x(2) x(1)
0
x1
Рис. 12
П р и м е р 2. Решить систему уравнений методом Зейделя
18 x1 3x2 |
4x3 |
2x4 |
20, |
||
3x1 19 x2 |
9x3 |
5x4 |
25, |
||
4x1 |
9x2 |
23x3 7 x4 |
112, |
||
2x1 |
5x2 |
7 x3 24 x4 |
164. |
||
с точностью 0,00001 .
Заметим, что матрица коэффициентов системы имеет диагональное преобладание.
Приведем исходную систему к виду x Bx c , пригодному для итераций, для этого в каждом i-м уравнении исходной системы выразим xi .
|
|
0 |
0,16667 |
0,22222 |
0,11111 |
|
|
1,11111 |
|
|
|
0,015789 |
0 |
0,47368 |
0,26316 |
|
|
1,31579 |
|
B |
|
|
|
|
|||||
|
0,17391 |
0,3913 |
|
|
; С |
|
4,86957 |
. |
|
|
0 |
0,30435 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,08333 |
0,20833 |
0,29167 |
0 |
|
|
6,83333 |
|
|
|
|
|
|
Как и в методе Якоби выберем метрику
4
2 
x y 
2 ( xi yi 2 )1/ 2 с 0,905251 .
i 1
В качестве начального приближения x0 возьмем столбец colon (20, 25, 112, 164) из свободных членов исходной системы линей-
ных уравнений.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
34 |
|||
Вычисление корня с точностью |
|
следует вести до выполнения |
|||||||||||||||||
критерия |
2 (xn , xn 1 ) ( xin xin 1 2 )1/ 2 1 , |
||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
по формулам |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x1k 1 b1 j xkj c1, |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
j 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
xk 1 |
i 1 |
xk 1 |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
b |
b xk |
c |
i |
, |
i 2,3,4; |
k 0, 1, 2, ... . |
|||||||||||||
i |
ij |
j |
|
ij |
|
j |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
j 1 |
|
j i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
На 13-м шаге итерационного процесса имеем |
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
0,999864 |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2,000779 |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
13 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
x |
|
|
4,003115 , |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5,997265 |
|
|
|
|
|
|
|
||||
2 (x13 , x12 ) ( xi13 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
xi12 2 )1/ 2 2,27 Е 06 1 . |
||||||||||||||||||
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
На 14-м шаге итерационного процесса получили |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,999864 |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2,000777 |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
14 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
x |
|
4,0031117 , |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
5,9972642 |
|
|
|
|
|
||||||
2 (x14 , x13 ) ( xi14 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
xi13 2 )1/ 2 4,39Е 07 1 . |
|||||||||||||||||
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Решение системы с точностью 0,00001 достигается уже на 14-м |
|||||||||||||||||||
шаге итераций |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,99986 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2,00078 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
x x |
14 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
4,00311 |
. |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5,99726 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
2.6. Двухслойные итерационные методы
Двухслойные итерационные методы могут быть записаны в кано-
нической форме
|
|
|
xk 1 |
xk |
|
|
|
|
|
B |
k 1 |
|
|
Axk |
b, |
k 0, 1, 2, ... . |
(2.32) |
|
|
|
||||||
|
|
k 1 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|||
Здесь Bk 1 |
– некоторая невырожденная матрица, k 1 |
> 0 – итераци- |
||||||
онные параметры. В случае, когда параметры Bk 1 и k 1 не зависят от но-
мера итерации, метод называют стационарным.
Если B E – единичной матрице, то итерационный метод называется явным, поскольку в нем очередное приближение явным образом выражается через предыдущее:
x k 1 x k |
k 1 |
( Ax k |
b) , |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
или |
|
|
|
|
|
|
|
Bx k 1 Bx k k 1 ( Ax k b ) |
x k 1 |
x k |
|
|
n |
|
|
x k |
b ). |
k 1 |
( a |
ij |
||||||
i |
i |
|
j 1 |
j |
i |
|||
|
|
|
|
|
|
|
||
B E
Определим интервал, в котором может меняться параметр
37
i n
Выберем метрику 2 
x y 
2 ( xi yi 2 )1/ 2 с 0,905251 .
i 1
В качестве начального приближения x0 возьмем столбец b из свободных членов исходной системы уравнений. Вычисление корня с точностью следует вести до выполнения неравенства
2 (xn , xn 1 ) ( xi yi 2 )1/ 2 1 . |
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
i 1 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
На 38-м шаге итерационного процесса имеем |
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
1,000002 |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2,000013 |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
38 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
x |
|
|
4,000010 |
, |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
5,999998 |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
4 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|||
2 (x38 , x37 ) ( |
|
xi38 |
xi37 |
|
)1/ 2 1,335749 Е 05 |
. |
||||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||||
i 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
На 39-м шаге итерационного процесса имеем |
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1,000001 |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2,000009 |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
39 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
x |
|
|
4,000001 |
, |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
5,999999 |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
1 |
|
|||
2 (x39 , x38 ) ( |
xi39 xi38 |
37 |
)1/ 2 9,03022 Е 06 |
. |
||||||||||||||
|
||||||||||||||||||
i 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Решение системы с точностью 0,00001 достигается на 39-м шаге |
||||||||||||||||||
итераций |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,00000 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2,00000 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
x x |
39 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4,00001 |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5,99999 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Скорость сходимости метода простой итерации оказалась существенно ниже скорости сходимости метода Зейделя, но выше метода Якоби при решении одной и той же системы линейных уравнений при одинаковом начальном приближении.
0 2
40
Вычисление корня с точностью следует вести до выполнения неравенства
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
2 (xn , xn 1 ) ( |
|
xin xin 1 |
)1/ 2 1 , |
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
по формулам |
|
|
|
|
|
|
|
|
i 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i 1 |
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
xik 1 xik |
|
bi |
aij x kj 1 |
aij x kj , |
i 1, 2, 3, 4; |
k 0, 1, 2 ... . |
|||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
aii |
j 1 |
|
|
|
|
|
j i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Выберем параметр 0,5 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
На 37-м шаге итерационного процесса имеем |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,9999964 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,999995 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
37 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
3,999999 |
, |
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6,000005 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
xi36 |
|
)1/ 2 1,07 Е 05 1 . |
||||||||||||||||||||||
2 (x37 , x36 ) ( |
|
xi37 |
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
На 38-м шаге итерационного процесса получили |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,9999966 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,999996 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
38 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
x |
|
|
3,999999 |
, |
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6,000003 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
xi37 |
|
|
)1/ 2 7,42 Е 06 1 . |
|||||||||||||||||||||||
2 (x38 , x37 ) ( |
|
xi38 |
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Решение системы с точностью 0,00001 достигается на 38-м шаге |
|||||||||||||||||||||||||||
итерационного приближения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,00000 |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2,00000 |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
x x |
38 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
3,99999 |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6,00000 |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Скорость сходимости метода верхней релаксации при выборе параметра 0,5 оказалась существенно ниже скорости сходимости метода Зейделя, т. е. не произошло улучшение метода Зейделя за счет введения параметра 0,5 .
