3.3. Наближені методи рішення

При використанні наближених методів передбачається, що система (3.11) представлена у вигляді

x=Bx+d, (3.3)

який називається нормальною формою системи рівнянь.

Процес обчислень у цьому випадку організують у такий спосіб. По тимі або інших міркуваннях вибирається початкове наближення до рішення системи. Воно підставляється в праву частину (3.3) , отримане значення позначається через, приймається як наступне наближення й підставляється в праву частину для одержанняй т.д. Таким чином, обчислювальний процес описується формулою

(3.4)

і називається ітераційним. Процедура одержання чергового наближення називається ітерацією. Після виконання ряду таких ітерацій одне з наближень і приймається як наближене рішення. Оцінка отриманої при цьому погрішності й питання збіжності послідовності розглянемо нижче. Описана процедура наближеного рішення системи рівнянь називаєтьсяметодом простої ітерації.

Модифікацією цього методу є метод Зейделя. Його відмінність полягає в тому, що при одержанні компонентів (до+1)-го наближення використовуються отримані на цій же ітерації «поліпшені» значення попередніх компонентів. Математично цей процес описується в такий спосіб

. (3.5)

З метою прискорення збіжності в якості чергової поліпшувати^ся компоненты, що, рекомендується вибирати ту, котрої відповідає найбільше значення модуля нев'язання, тобто значення . Це реалізується так. Після одержання до-го наближення формується вектор

,

компоненти якого впорядковуються по убуванню їхніх модулів. Установлений у результаті цього порядок переноситься й на послідовність обчислення компонент (до+1)-го наближення за правилами (3.5).

Можна показати, що стаціонарний метод Зейделя (3.5), тобто коли порядок обчислення компонент незмінний, зводиться до методу простої ітерації. Дійсно, позначимо через B₁, B₂ наступні матриці

,

Тоді в матричному виді процес (3.5) виглядає так

.

Звідси

и

.

Таким чином, стаціонарний метод Зейделя з матрицею В еквівалентний методу простої операції з матрицею .

3.4. Збіжність і погрішність наближених методів

Для опису збіжності обчислювального процесу й оцінкипогрішності наближеного рішення необхідні додаткові поняття.

Поняття норми.Нормою вектора х, позначається , називається величина ,що задовольняэ умовам:

1. ;

2. х=0; (3.6)

3. ;

4. .

У теорії метричних просторів одержали поширення наступні типи норм:

1. ;

2. ;

3. .

Залежно від типу геометричної фігури, одержуваної в тривимірному просторі, описуваної умовою , перша з них називаєтьсякубічною, друга,- октаедрическою і третя,- сферичною.

Нормою матриці А, позначається , називається величина, що задовольняє крім вимог (3.6) додатковій умові

Звичайно, використовуються одна з наступних норм:

1. ;

2. ;

3. .

При одночасному використанні норм необхідно їхнє узгодження. А саме, норма вектора першого типу використовується з нормою матриці першого типу й т.д.

Поняття відстані. Відстанню між векторами x, y, позначається символом , називається величина

.

Із властивості 4 (3.6) треба важливе для подальшого, так зване, нерівність трикутника

Дійсно,

Стискаючі відображення. Нехай F ,- деяке відображення в лінійному просторі векторів. Воно називається стискаючої,- якщо існує таке число , що для будь-яких векторівx, y виконується співвідношення

.

Стосовно до нормальної форми системи рівнянь (3.3) у якості F розглянемо праву частину системи рівнянь. А саме,

.

Тоді

.

Таким чином, для того, щоб відображення, обумовлене системою (3.3) було стискаючої досить , щоб одна з норм матриці В була менше 1.

Поняття збіжності. Нехай , дедо = 1, 2, …,- деяка нескінченна послідовність векторів. Говорять, що вона сходиться до вектора х по нормі, якщо

Послідовність сходиться до векторапокомпонентно, якщо

для .

Неважко показати, що два ці поняття до певної міри еквівалентні. А саме, якщо послідовність сходиться по нормі, то вона сходиться покомпонентно й навпаки.

При аналізі збіжності послідовностей центральне місце належить ознаці Коші:

Послідовність сходиться тоді й тільки тоді, коли длятакий номер, що дляйвиконується (або для).

Збіжність ітераційного процесу. Оцінка погрішності. Нехай ,- ітераційна послідовність, тобто

, (3.7)

де ,- стискаюче відображення з коефіцієнтом стиску.

Розглянемо . По індукції маємо

. (3.8)

Далі, по властивості трикутників і з обліком (3.8), справедливим виявляється співвідношення

(3.9)

Зажадавши тепер, щоб

,

очевидно, можна знайти номер , починаючи з якого для ,m > 0 .

Таким чином, для стискаючого відображення ознака Коші виконаний і, отже, ітераційний процес (3.7) сходиться.

Оцінимо тепер погрішність до-го наближення, а саме, величину , де х-х- точне рішення. Із цією метою розглянемо співвідношення (див. (3.9))

Переходячи в ньому до межі при , одержимо , таким чином,

(3.10)

і доведеним стає твердження:

Якщо одна з норм матриці B системи рівнянь (3.3) менше одиниці, то ітераційний процес (3.4) є збіжним при будь-якому початковому наближенні. Погрішність до-го наближення описується співвідношенням (3.10).

3.5 Приведення системи Ax=b до нормального виду

З попереднього треба, що успіх наближеного рішення системи лінійних алгебраїчних рівнянь (3.1) багато в чому визначається можливістю її приведення до нормального виду (3.3), для якого виконується достатні умови збіжності. Приведемо деякі розумiння й рекомендації на цей рахунок.

Перший варіант. Розглянемо систему

Ах=b.

Представимо матрицю А в виді суми А=А₁+А₂, де det А₁ ≠ 0. Тоді

(А₁+А₂)x=b,

звідси

.

Позначивши через ,, одержимо

,

що й було потрібно. Тоді для того, щоб забезпечити виконання достатньої умови збіжності , у якостіА₁ досить взяти матрицю близьку до А , тобто А₁≈А, у якості А₂, - «малу» матрицю .

Пояснимо цю пропозицію на прикладі. Розглянемо

,

Тут . Нехай

,

Тоді . Знайдемо.

Маємо det А₁ = -2 ≠ 0 і

.

Тоді

і система приймає вид

.

Очевидно, для збіжності методу ітерацій досить взяти .

Другий варіант. Полягає в наступному. Шляхом еквівалентних перетворень намагаються домогтися того, щоб діагональні елементи в матриці А домінували в лівій частині відповідних рівнянь, тобто були по модулі істотно більше інших. Після цього кожне з рівнянь ділять на й, перше рівняння дозволяють відноснодруге,- відносной т.д.

Як приклад розглянемо наступну систему

У результаті аналізу коефіцієнтів лівої частини рівнянь виробляється їхня перестановка

і для забезпечення домінування в другому рівнянні коефіцієнта , що поки дорівнює-7,9, до другого рівняння додається третє. У результаті цього маємо

або, у нормальній формі,

.

Тут матриця

,

очевидно, її норма , і, отже, формований нею ітераційний процес сходиться.

Третій варіант. Є обґрунтованим теоретично, формалiзуємим і, із цієї причини, мабуть, найбільш зручним. Він полягає в наступному.

Розглянемо систему (3.11)

Ax=b

і припустимо, що det А₁ ≠ 0. Помножимо обидві частини на , одержимо

A₁ x=b₁,

де A₁=А^ТА, b₁= A^T b. Тут матриця A₁ є симетричною, тобто , причому її діагональні елементи, у противному випадку, принаймні, один зі стовпців матриціА дорівнює нулю й, отже, det А = 0. Далі, ділячи рівняння на діагональні елементи й, дозволяючи їх відносно,і т.д. одержимо нормальну систему

,

де .

Показано, що для нормальної системи, отриманої таким чином, метод Зейделя сходиться.