Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Численные методы

..pdf
Скачиваний:
5
Добавлен:
05.02.2023
Размер:
2.81 Mб
Скачать

На 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 .