5)Описание метода определения параметров аппроксимирующей функции (решение системы нормальных уравнений).

Для решения системы нормальных уравнений был выбран метод Гаусса.

Один из возможных способов минимизации критерия аппроксимации предполагает решение системы нормальных уравнений. При выборе в качестве аппроксимирующей функции линейной функции искомых параметров нормальные уравнения представляют собой систему линейных алгебраических уравнений.

Систему n линейных уравнений общего вида (где через x_k обозначены искомые параметры С_k аппроксимирующей функции)

a₁₁ x₁ + a₁₂ x₂ +…+ a_1n x_n = b­₁

a₂₁ x₁ + a₂₂ x₂ +…+ a_2n x_n = b­₂

_{…………………………………………..}

a_n1 x₁ + a_n2 x₂ +…+ a_{n n} x_n = b­_n

можно записать посредством матричных обозначений в следующем виде:

A X = B, где

Квадратная матрица Aназываетсяматрицей системы, векторX –вектором-столбцом неизвестных системы, а векторB–вектором-столбцом свободных членов.

В матричном представлении исходная система линейных уравнений примет вид

Решение системы линейных уравнений сводится к отысканию значений элементов вектора-столбца (x_i), называемыхкорнями системы. Для получения единственного решения системы входящие в нееn уравнений должны быть линейно независимыми. Необходимым и достаточным условием этого является неравенство нулю определителя данной системы, т.е.det A  0.

Для решения был выбран метод Гаусса. Согласно этому методу, исходная система линейных уравнений преобразуется путем последовательного исключения неизвестных в эквивалентную систему уравнений, имеющую так называемый «треугольный» вид. Последнее уравнение «тре­угольной» системы содержит лишь одно неизвестное (x_n), предпоследнее – два (x_n, x_n-1) и т.д. Решение полученной системы уравне­ний осуществляется последовательным («снизу вверх») определением x_n из последнего уравнения «треугольной» системы, x_n-1 из предпоследнего и т.д. Применительно к системе уравнений преобразование к «треугольному» виду осуществляется за (n – 1) шагов.

На первом шаге выделяется первое уравнение системы. Это уравнение не преобразуется, и оно объявляется ведущим уравнением. Затем исключается неизвестное x₁ из всех уравнений, кроме веду­щего. Для этого последовательно из каждого уравнения вычитается ведущее уравнение, умноженное на некоторый специально подобранный множитель, позволяющий сделать результирующий коэффициент при x₁ равным нулю. Так, например, для исключения x₁ из второго уравнения

a₂₁ x₁ + a₂₂ x₂ + …+ a_{2 n} x_n = b₂

необходимо из него вычесть ведущее уравнение, умноженное на коэффициент q₂₁ = a₂₁ / a₁₁. Действительно, результат вычитания имеет вид

(a₂₁ – q₂₁ a­₁₁) x₁ + (a₂₂ – q₂₁ a­₁₂) x₂ + …+ (a_2n – q₂₁ a­_1n) x_n = = b₂ – q₂₁ b₁ .

Очевидно, что коэффициент (a₂₁ – q₂₁ a₁₁ ) при x₁ равен ну­лю. Вводя новые обозначения для коэффициентов

k=(2, …, n) ,

и свободного члена

можно переписать уравнение в виде

Аналогичную процедуру можно проделать с третьим уравнением системы. Умножая ведущее уравнение на q₃₁=a₃₁ /a₁₁ и вы­читая результат умножения из третьего уравнения, получим эквива­лентное уравнение

и т.д.

В результате рассмотренного первого шага исходная система уравнений превратится в эквивалентную систему уравнений, причем неизвестное x₁ входит только в первое уравнение:

На втором шаге ведущим объявляется второе уравнение системы и исключается неизвестное x₂ из уравнений с номерами от третьего до последнего. Исключение неизвестного проводится по схеме, описанной в первом шаге. Для исключения x₂ из третьего уравнения системы ведущее уравнение умножается на

и результат умножения вычитается из третьего уравнения, результирующий коэффициент при x₂ будет равен нулю. Для исключения x₂ из четвертого уравнения ведущее уравнение умножается на

и т.д. В результате второго шага (исключения неизвестного x₂) будет получена система урав­нений, также эквивалентная исходной системе:

где введены новые обозначения для коэффициен­тов преобразуемых уравнений. Отметим, что неизвестноеx₁ вхо­дит только в первое уравнение, а неизвестное x₂  в первое и второе уравнения.

На (n1) шаге исключается неизвестное x_n-1 из последнего n-го уравнения, и в результате система уравнений принимает окончательный «треугольный» вид

Полученная система уравнений эквивалентна исходной системе уравнений. Описанный процесс последовательного исключения неизвестных носит название прямого хода метода Гаусса.

Определим обобщенные формулы для расчета коэффициентов системы в процессе прямого хода метода Гаусса. На i-м шаге неизвестное x_i исключается из всех уравнений с номерами k, где i+1  k  n, при этом ведущее уравнение (с номером i) умножается на

,

и результат умножения вычитается из k-го уравнения. Новые значения коэффициентов (в уравнении с номером k) при неизвестных x_j, (i+1  j  n) равны

новое значение свободного члена

.

Решение треугольной системы уравнений носит название обратного хода метода Гаусса и заключается в последовательном определении всех неизвестных, начиная с последнего x_n. Действительно, из последнего уравнения системы вытекает, что

Значение x_n-1 получается при решении предпоследнего уравнения

.

Так как x_n уже определено, то

Эта процедура применяется последовательно ко всем уравнениям, включая и первое, из которого определяется

Обобщенная формула вычисления x_i имеет вид

В процессе прямого хода метода Гаусса может оказаться, что коэффициент a_ij^(i-1) ведущего уравнения равен нулю. Тогда исключить x_i из остальных уравнений описанным методом нельзя. Однако уравнения системы можно поменять местами и объявить ведущим то уравнение, у которого коэффициент при неизвестном x_i отличен от нуля. Отметим, что системы, отличающиеся лишь взаимным расположением образующих их уравнений, являются эквивалентными. Перестановка уравнений не только допустима, но часто и полезна для уменьшения погрешности арифметических вычислений. Для уменьшения погрешности вычислений в качестве ведущего обычно выбирается уравнение с максимальным по модулю коэффициентом при x_i. Это уравнение и уравнение с номером i меняют местами, и процесс исключения продолжается обычным образом. Поиск максимального по модулю коэффициента при x_i носит название определение ведущего элемента.