§ 4 . Метод итераций для систем уравнений.
Рассмотрим задачу о решении системы нелинейных уравнений:
(4.1)
Перепишем эту систему в векторной форме:
, (4.2)
где X=(x1 ,x2 ,x3 ,...,xn) , F = (f1 , f2 , ... , fn ).
Векторное уравнение (4.2) будем решать методом итераций. Преобразуем это уравнение каким - либо способом к виду
(4.3)
Предположим, что мы нашли начальное приближение к решению X0 .Построим последовательность X1 , X2 , ... ,Xk , ... по следующему правилу:
(4.4)
Изучим вопрос о сходимости этой последовательности.
Уравнение (4.3) означает, что элемент Х из некоторого метрического пространства R преобразуется в другой элемент того же метрического пространства. — отображение некоторого элемента пространства R в другой элемент этого же пространства. Обозначим расстояние между двумя элементами X и Y пространства R через . Пусть — некоторое множество из пространства R : .
Определение: Отображение называется сжимающим на множестве , если существует постоянная q: , такая, что для любых двух элементов из множества имеет место неравенство:
(4.5)
Теорема. Пусть — сжимающее отображение на некотором множестве . Тогда уравнение (4.3) имеет единственное решение , к которому сходится последовательность (3.5.4) , при этом для любого n имеет место неравенство
(4.6)
где Xn — элемент последовательности (4.4), q — постоянная из неравенства (4.5)
Доказательство. Для любого k = 0 , 1 , ... имеет место неравенство
, (4.7)
где . Действительно, используя определение сжимающего отображения, получим :
. Из неравенства (4.7) получим при любом p= 1,2, ...
Сумма в последней скобке есть конечная часть бесконечно убывающей геометрической прогрессии с положительным знаменателем q < 1. Поэтому
(4.8)
Величина, стоящая справа в этом неравенстве, стремится к 0 при любом p. Значит, последовательность, стоящая слева, будет фундаментальной, и значит, она будет иметь предел (критерий Коши). Обозначим его X * . Теперь в (4.8) перейдем к пределу при . Получим неравенство (4.6). Покажем, что X * — корень уравнения (4.3) . Справедлива цепочка неравенств:
Значит, , т.е. X * — решение уравнения (4.3).
Теперь докажем единственность полученного решения. Пусть Х **— еще одно решение уравнения (4.3). Тогда . Но q < 1. Следовательно, это неравенство может быть выполнено только при .
Замечание. Эта теорема легко переносится на случай одного уравнения.