Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Вычислительная математика.pdf
Скачиваний:
3
Добавлен:
24.11.2025
Размер:
3.89 Mб
Скачать

2

16

0,1

0,96980

0,97924

0,98418

17

0,2

0,94205

0,95910

0,96839

18

0,3

0,91637

0,93960

0,95273

19

0,4

0,89248

0,92077

0,93728

20

0,5

0,87013

0,90260

0,92208

21

0,6

0,84914

0,88506

0,90717

22

0,7

0,82937

0,86815

0,89256

23

0,8

0,81067

0,85183

0,87829

24

0,9

0,79295

0,83609

0,86435

25

1

0,77612

0,82090

0,85075

26

1,1

0,76009

0,80623

0,83748

27

1,2

0,74481

0,79206

0,82455

28

1,3

0,73020

0,77838

0,81196

29

1,4

0,71622

0,76515

0,79969

30

1,5

0,70283

0,75236

0,78774

2.2. Итерационные методы решения систем линейных алгебраических уравнений. Метод простых итераций и метод Зейделя

2.2.1. Метод простых итераций

 

Пусть система линейных уравнений

 

 

 

 

 

 

 

 

Ax = b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1)

каким-либо образом приведена к виду

 

 

 

 

 

 

 

 

x = Cx + f ,

 

 

 

 

 

 

 

 

(2)

где С – некоторая матрица, а f – вектор-столбец.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(0)

, строим итерационный процесс

 

 

 

 

Исходя из произвольного вектора x

 

 

 

 

x(k+1) = Cx(k ) + f

(k = 0,1,2, ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1)

(2)

(k )

, .

 

 

Производя итерации, получим последовательность векторов x

, x

, , x

 

 

Доказано, что если элементы матрицы С удовлетворяют одному из условий

 

 

 

 

n

 

 

(i =1,2, , n)

 

 

 

 

 

 

 

 

Cij

≤ α <1

 

 

 

 

 

 

(3)

или

j=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

(j =1,2, ,n),

 

 

 

 

 

 

 

 

Cij

≤ β <1

 

 

 

 

 

 

(4)

 

i=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(0)

 

то процесс итерации сходится к точному решению

 

 

 

, то

x при любом начальном векторе

x

есть

 

(k )

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x = lim

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

28

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(k )

дается одной из следующих

 

Оценка погрешности этого приближенного решения x

формул:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

x(k )

 

 

α

max

 

x(k ) x(k1)

 

,

если

выполнено

условие

(3),

или

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

i

 

 

1−α j=1,2, ,n

 

j

j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

β

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xi xi(k )

 

 

 

 

x(jk ) x(jk 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, если выполнено условие (4). Процесс итераций заканчивают,

 

 

1−β

 

 

 

 

 

 

 

j=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

когда указанные оценки свидетельствуют о достижении заданной точности. На практике

итерационный процесс заканчивают, когда max xi(k+1) xi(k ) ≤ ε, где ε – заданная точность.

1in

Начальный вектор x(0) может быть выбран, вообще говоря, произвольно. Иногда бе- рут x(0) = f .

Приведение системы (1) к виду (2) можно осуществить различными способами. Важно только, чтобы выполнялось одно из условий (3) или (4). Например, один из способов: если

диагональные элементы матрицы А отличны от нуля, то есть aii 0

(i =1,2, , n), то систе-

му (1) можно записать в виде

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(i =1,2, , n).

 

 

xi =

 

 

 

 

bi aij x j

,

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ij

ij

 

 

 

В этом случае элементы матрицы C определяются равенством

 

c

= −

aij

 

(i j), c = 0 ,

 

 

 

 

 

 

ij

 

 

 

 

aii

 

 

ii

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и тогда условия (3) и (4) соответственно приобретают вид

 

 

n

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ij

 

 

 

≤ α <1

(i =1,2, , n),

(5)

a

 

 

j

=1

 

 

 

ii

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ij

 

 

≤ β <1

(j =1,2, ,n).

(6)

a

 

i=1

 

 

 

ii

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ij

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Неравенства (5), (6) будут выполнены, если диагональные элементы матрицы А удов-

летворяют условию

 

 

 

 

 

aii

 

 

>

 

aij

 

(i =1,2, , n),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ji

 

 

 

 

 

 

 

то есть если модули диагональных коэффициентов для каждого уравнения системы больше суммы модулей всех остальных коэффициентов (не считая свободных членов).

29

Второй способ показан на примере.

Пример. Решить систему, произведя три итерации. Указать погрешность полученного результата.

1,02x1 0,05x2 0,10x3 = 0,795,

0,11x1 +1,03x2 0,05x3 = 0,849,0,11x1 0,12x2 +1,04x3 =1,398.

Решение. Матрица данной системы такова, что диагональные элементы близки к единице, а все остальные – значительно меньше единицы. Поэтому для применения метода простых итераций естественно записать исходную систему в виде

x

= 0,795 0,02x

+ 0,05x

+ 0,10x ,

1

1

2

3

x2 = 0,849 + 0,11x1

0,03x2 + 0,05x3,

x

=1,398 + 0,11x + 0,12x 0,04x .

3

1

2

3

Условия сходимости (3) выполнены:

3

c1 j = 0,02 + 0,05 + 0,10 = 0,17 <1,

j=1

3

c2 j = 0,11+ 0,03 + 0,05 = 0,19 <1,

j=1

3

c3 j = 0,11+ 0,12 + 0,04 = 0,27 <1.

j=1

Берем в качестве начального вектора x(0) столбец свободных членов, округлив его элементы до двух знаков после запятой:

(0) 0,80 x = 0,85 .

1,40

Далее последовательно находим: при k =1

x1(1) = 0,795 0,016 +0,0425 +0,140 = 0,9615 0,962, x2(1) = 0,849 +0,088 0,0255 +0,070 = 0,9815 0,982, x3(1) =1,398 +0,088 +0,1020 0,056 =1,532;

при k = 2

x(2) = 0,97806 0,978, x(2) =1,00196 1,002, x(2) =1,56038

1,560;

1

 

2

3

 

при k = 3

x(3) = 0,980,

x(3) =1,004,

x(3) =1,563.

 

 

1

2

3

 

30

Значения неизвестных при k = 2 и k = 3 отличаются не более чем на 3 103 , поэтому, если в качестве приближенных значений неизвестных взять

x1 0,980, x2 1,004, x3 1,563,

то погрешность этих приближенных значений не превысит 10,270,27 3 103 <1,1 103 .

Задание

Методом простой итерации с точностью до 103 найти решение системы Ax = b , где

24,21+ α

2,42

3,85

 

 

 

30,24

 

 

2,31

31,49

1,52

 

 

 

 

A =

,

b

= 40,95 −β ,

 

3,49

4,85

 

 

 

 

42,81

 

 

28,72

 

 

 

ε =103, α = 0,2k,

k = 0,1, ,4,

β = 0,2k,

k = 0,1, ,5.

 

 

 

 

 

Ответы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α, β

 

x1

 

x2

x3

 

1

 

α = 0,β = 0

 

0,944

 

1,174

1,178

 

2

 

α = 0,β = 0,2

 

0,945

 

1,168

1,179

 

3

 

α = 0,β = 0,4

 

0,945

 

1,161

1,180

 

4

 

α = 0,β = 0,6

 

0,946

 

1,155

1,181

 

5

 

α = 0,β = 0,8

 

0,946

 

1,149

1,182

 

6

 

α = 0, β =1

 

0,947

 

1,142

1,183

 

7

 

α = 0,2 β = 0

 

0,938

 

1,175

1,170

 

8

 

α = 0,2, β = 0,2

 

0,938

 

1,169

1,171

 

9

 

α = 0,2, β = 0,4

 

0,939

 

1,162

1,172

 

10

 

α = 0,2, β = 0,6

 

0,939

 

1,159

1,173

 

11

 

α = 0,2, β = 0,8

 

0,940

 

1,149

1,174

 

12

 

α = 0,2, β =1

 

0,940

 

1,143

1,175

 

13

 

α = 0,4, β = 0

 

0,931

 

1,176

1,163

 

14

 

α = 0,4, β = 0,2

 

0,932

 

1,170

1,164

 

15

 

α = 0,4, β = 0,4

 

0,932

 

1,163

1,165

 

16

 

α = 0,4, β = 0,6

 

0,933

 

1,157

1,168

 

17

 

α = 0,4, β = 0,8

 

0,933

 

1,150

1,167

 

18

 

α = 0,4, β =1

 

0,934

 

1,144

1,168

 

19

 

α = 0,6, β = 0

 

0,925

 

1,179

1,155

 

20

 

α = 0,6, β = 0,2

 

0,925

 

1,170

1,156

 

21

 

α = 0,6, β = 0,4

 

0,926

 

1,164

1,157

 

22

 

α = 0,6, β = 0,6

 

0,926

 

1,158

1,158

 

23

 

α = 0,6, β = 0,8

 

0,927

 

1,151

1,158

 

24

 

α = 0,6, β =1

 

0,927

 

1,145

1,160

31

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]