第一章常用数值分析方法§2线性方程组的数值解法
线性方程组的求解方法详解
线性方程组的求解方法详解在数学中，线性方程组是求解多元一次方程组的一种重要方法。
它在各种科学领域中都有广泛的应用。
本文将详细介绍线性方程组的求解方法，包括高斯消元法、LU分解法和Jacobi迭代法。
一、高斯消元法高斯消元法是求解线性方程组最常用的方法之一。
它基于矩阵的基本变换，通过不断变形将线性方程组转化成行最简形式。
具体步骤如下：1. 将增广矩阵写为(A|B)的形式，其中A为系数矩阵，B为常数向量。
2. 先将系数矩阵化为上三角矩阵。
从第一行开始，每一行都使用该行的第一个元素除以它下面的元素，将其所在列下面的所有元素消为0。
这个过程称为消元。
3. 接着，再将上三角矩阵转化为行最简形式。
从最后一行开始，每一行都使用该行的第一个非零元素除以它上面的元素，将其所在列上面的所有元素都消为0。
4. 通过以上变换，线性方程组的解就可以直接读出。
具体来说，最后一行所对应的方程是一个单变量方程，规定该变量的解为该方程的解，再逐步回代到前面的方程中求解其他变量即可。
高斯消元法的优点是计算量比较小，而且对于系数矩阵满秩的情况，它的解决效率极高。
但是，当系数矩阵有多个零行或行向量是另一行向量的倍数时，高斯消元法就会出现退化的情况，此时需要通过其他方法进行求解。
二、LU分解法LU分解法是一种比高斯消元法更加高效的求解线性方程组的方法。
它基于矩阵的分解，将系数矩阵分解为一个下三角矩阵和一个上三角矩阵的乘积形式。
具体步骤如下：1. 将增广矩阵写为(A|B)的形式，其中A为系数矩阵，B为常数向量。
2. 通过高斯消元法将系数矩阵化为一个上三角矩阵U和一个下三角矩阵L的乘积形式，即A=LU。
3. 将线性方程组转化为LY=B和UX=Y的两个方程组，其中L 和U是A的三角分解矩阵。
4. 先解LY=B，得到向量Y。
再解UX=Y，便得到线性方程组的解。
相对于高斯消元法，LU分解法的计算量更小，尤其是当多次求解同一个系数矩阵时，LU分解法可以提高计算效率。
2线性方程组的数值解法
第二章 线性方程组的数值解法§2.0 引 言在自然科学和工程技术中很多问题的解决常常归结为解线性代数方程组，例如电学中的网络问题，船体数学放样中建立三次样条函数问题，用最小二乘法求实验数据的曲线拟合问题，解非线性方程组问题，用差分法或者有限元方法解常微分方程、偏微分方程边值问题等都导致求解线性代数方程组，而这些方程组的系数矩阵大致分为两种，一种是低阶稠密矩阵(例如，阶数大约为≤150)，另一种是大型稀疏矩阵(即矩阵阶数高且零元素较多)。
设有线性方程组Ax = b ，其中⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=nn n n n n a a a a a a a a a A 212222111211为非奇异阵，⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=n x x x x 21，⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=n b b b b 21 关于线性方程组的数值解法一般有两类：直接法与迭代法。
1. 直接法就是经过有限步算术运算，可求得方程组精确解的方法(若计算过程中没有舍入误差)。
但实际计算中由于舍入误差的存在和影响，这种方法也只能求得线性方程组的近似解。
本章将阐述这类算法中最基本的高斯消去法及其某些变形。
这类方法是解低阶稠密矩阵方程组的有效方法，近十几年来直接法在求解具有较大型稀疏矩阵方程组方面取得了较大进展。
2. 迭代法就是用某种极限过程去逐步逼近线性方程组精确解的方法。
迭代法具有需要计算机的存贮单元较少、程序设计简单、原始系数矩阵在计算过程中始终不变等优点，但存在收敛性及收敛速度问题。
迭代法是解大型稀疏矩阵方程组(尤其是由微分方程离散后得到的大型方程组)的重要方法。
§2.1 Gauss 消去法高斯（Gauss ）消去法是解线性方程组最常用的方法之一，它的基本思想是通过逐步消元（行的初等变换），把方程组化为系数矩阵为三角形矩阵的同解方程组，然后用回代法解此三角形方程组（简单形式）得原方程组的解。
1. 消元例：⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡----⇒⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-----⇒⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--=21567003201111156140320111116122231111]|[b A 下面我们来讨论一般的解n 阶方程组的高斯消去法。
线性方程组的四种数值解法
线性方程组的四种数值解法(电子科技大学物理电子学院，四川 成都 610054)摘要：本文介绍了四种求解线性方程组的数值解法: 雅克比迭代法、高斯赛德尔迭代法、高斯消去法和改进的平方根法的基本原理和算法流程，通过求解具体方程，对四种求解方法进行了对比。
对于雅克比迭代法和高斯赛德尔迭代法，研究了两种算法对求解同一方程组的迭代效率差异，结果表明高斯赛德尔迭代法达到同样精度所需迭代次数较少。
对于高斯消去法，通过选择列主元的方法提高算法的准确度，计算结果表明高斯消去法计算精确，且运算复杂度也不是很高。
对于改进的平方根法，其运算复杂度低，但对于给定的方程组有着严苛的要求。
关键词：雅克比迭代法；高斯赛德尔迭代法；高斯消去法；改进的平方根法；线性方程组引言线性方程组的求解在日常生活和科研中有着极其重要的应用，但在实际运算中，当矩阵的维数较高时，用初等方法求解的计算复杂度随维数的增长非常快，因此，用数值方法求解线性方程组的重要性便显现出来。
经典的求解线性方程组的方法一般分为两类：直接法和迭代法。
前者例如高斯消去法,改进的平方根法等，后者的例子包括雅克比迭代法，高斯赛德尔迭代法等。
这些方法的计算复杂度在可以接受的范围内，因此被广泛采用。
一般来说，直接法对于阶数比较低的方程组比较有效；而后者对于比较大的方程组更有效。
在实际计算中，几十万甚至几百万个未知数的方程组并不少见。
在这些情况下，迭代法有无可比拟的优势。
另外，使用迭代法可以根据不同的精度要求选择终止时间，因此比较灵活。
在问题特别大的时候，计算机内存可能无法容纳被操作的矩阵，这给直接法带来很大的挑战。
而对于迭代法，则可以将矩阵的某一部分读入内存进行操作，然后再操作另外部分。
本文使用上述四种算法求解对应的方程组，验证各种算法的精确度和计算速度。
1 算法介绍1.1 雅克比迭代法 1.1.1 算法理论设线性方程组(1)b Ax的系数矩阵A 可逆且主对角元素 均不为零,令并将A 分解成(2)从而(1)可写成令其中. (3)以B 1为迭代矩阵的迭代法(公式)(4)称为雅克比(Jacobi)迭代法(公式),用向量的分量来表示,(4)为(5)其中为初始向量.1.1.2 算法描述 1给定迭代初始向量X 0以及误差要求delta 2根据雅克比迭代公式计算出下一组向量3判断X 是否满足误差要求，即||X k+1 – X k || < delta4若误差满足要求，则停止迭代返回结果；若否，则返回第二步进行下一轮迭代1.2 高斯赛德尔迭代法nna ,...,a ,a 2211()nna ,...,a ,a diag D 2211=()D D A A +-=()b x A D Dx +-=11f x B x +=b D f ,A D I B 1111--=-=()()111f x B x k k +=+⎩⎨⎧[],...,,k ,n ,...,i x a ba xnij j )k (j j i iii)k (i21021111==∑-=≠=+()()()()()Tn x ,...x ,x x 002010=1.2.1 算法理论由雅克比迭代公式可知,在迭代的每一步计算过程中是用的全部分量来计算的所有分量,显然在计算第i 个分量时,已经计算出的最新分量没有被利用，从直观上看,最新计算出的分量可能比旧的分量要好些.因此，对这些最新计算出来的第次近似的分量加以利用,就得到所谓解方程组的高斯—塞德尔（Gauss-Seidel ）迭代法.把矩阵A 分解成(6)其中,分别为的主对角元除外的下三角和上三角部分,于是,方程组(1)便可以写成即其中(7)以为迭代矩阵构成的迭代法(公式)(8)称为高斯—塞德尔迭代法(公式),用变量表示的形式为(9)1.2.2 算法描述 1给定迭代初始向量X 0以及误差要求delta2根据高斯赛德尔迭代公式计算出下一组向量()k x ()1+k x ()1+k ix ()()1111+-+k i k x ,...,x 1+k()1+k x()1+k jx U L D A --=()nna ,...,a ,a diag D 2211=U ,L --A ()b Ux x L D +=-22f x B x +=()()b L D f ,U L D B 1212---=-=2B ()()221f x B x k k +=+⎩⎨⎧[],...,,k ,n ,,i x a x a b a xi j n i j )k (j ij )k (j ij i ii)k (i21021111111==∑∑--=-=+=++3判断X是否满足误差要求，即||X k+1– X k|| < delta4若误差满足要求，则停止迭代返回结果；若否，则返回第二步进行下一轮迭代1.3 高斯消去法1.3.1 算法理论下面三种变换称为初等行变换：1.对调两行；2.以数k≠0乘某一行中的所有元素；3.把某一行所有元素的k倍加到另一行对应的元素上去。
线性方程组的解法
线性方程组的解法线性方程组是数学中重要的概念，它是由一系列线性方程组成的方程组。
解决线性方程组的问题在实际应用中具有重要意义，因为它们可以描述许多自然和社会现象。
本文将介绍几种常见的线性方程组的解法，包括高斯消元法、矩阵法以及向量法。
一、高斯消元法高斯消元法是解决线性方程组的常用方法之一。
它通过对方程组进行一系列的消元操作，将方程组转化为简化的等价方程组，从而求得方程组的解。
步骤如下：1. 将线性方程组写成增广矩阵的形式，即将所有系数按照变量的次序排列，并在最后一列写上等号右边的常数。
2. 选取一个主元素，通常选择第一列第一个非零元素作为主元素。
3. 消去主元素所在的列的其他非零元素，使得主元素所在列的其他元素都变为零。
4. 选取下一个主元素，继续重复消元操作，直到将所有行都消为阶梯形。
5. 进行回代，从最后一行开始，求解每个变量的值，得到线性方程组的解。
二、矩阵法矩阵法是另一种解决线性方程组的常用方法。
它将线性方程组写成矩阵形式，通过矩阵的运算求解方程组的解。
步骤如下：1. 将线性方程组写成矩阵形式，即系数矩阵乘以未知数向量等于常数向量。
2. 对系数矩阵进行行变换，将系数矩阵化为行阶梯形矩阵。
3. 根据行阶梯形矩阵，得到线性方程组的解。
三、向量法向量法是解决线性方程组的一种简洁的方法。
它将线性方程组转化为向量的内积形式，通过求解向量的内积计算方程组的解。
步骤如下：1. 将线性方程组写成向量的内积形式，即一个向量乘以一个向量等于一个数。
2. 根据向量的性质，求解向量的内积，得到线性方程组的解。
以上是几种常见的线性方程组的解法。
在实际应用中，根据具体情况选择适合的解法，以高效地求解线性方程组的解。
通过掌握这些解法，可以更好地解决与线性方程组相关的问题，提高问题的解决能力。
结论线性方程组是数学中重要的概念，解决线性方程组的问题具有重要意义。
通过高斯消元法、矩阵法和向量法等解法，可以有效求解线性方程组的解。
数值分析-线性方程组的直接解法
算法 Gauss(A,a,b,n,x)
1. 消元 For k=1,2, … , n-1 1.1 if akk=0 , stop; 1.2 For i=k+1,k+2, …, n 1.2.1 l ik=aik /akk => aik 1.2.2 For j=k+1，k+2, … ,n ai j -aik ak j =>aij 1.2.3 bi -aik bk=> bi 2. 回代 2.1 bn / an=>xn; 2.2 For i=n-1,n-2, …, 2,1 2.2.1 bk => S 2.2.2 For j=k+1，k+2, … ,n S –akj xj =>S 2.2.3 S/ akk => xk a1 1 a1 2 a13 a2 1 a2 2 a23
线性方程组的直接解法
刘 斌
线性方程组的直接解法
§1 Gauss消去法 1.1 顺序Gauss消去法
1.2
§2 2.1 2.2 2.3
列主元Gauss消去法
Gauss消去法的矩阵运算 Doolittle分解法 平方根法
直接三角分解方法
2.4
追赶法
引入
在科学计算中，经常需要求解含有n个未知量 的n个方程构成的线性方程组 a11 x1 a12 x2 a1n xn b1 a21 x1 a22 x2 a2 n xn b2 (1) an1 x1 an 2 x2 ann xn bn
(1) a12 ( 2) a22 0
(1) (1) a13 a1 n ( 2) ( 2) a23 a2 n ( 3) ( 3) a33 a3 n
0
数值分析讲义
由于除数很小,将导致商很大,有可能出现“溢出”现 象另外. ,设x* ,y* 的近似值分别为x,y，则z=x÷y是z*=x*÷y*
的近似值.此时，z的绝对误差满足估计式
e(z) z* z (x* x) y x( y y* ) y e(x) x e( y)
yy*
y2
可见,若除数太小,则可能导致商的绝对误差很大。
n k, k 1,...2,1
类似地可得
Ik
I
* k
(1) nk
k!( n!
I
n
I
* n
)
,
k n, n 1,...,1,0
可见，近似误差Ik-I*k是可控制的，算法是数值稳定的。
例如，由于
e 1 10
01 x9e1dx
I9
01 x9dx
1 10
取近似值 I9
1 (e1 1 ) 0.0684 2 10 10
§3 绝对误差、相对误差和有效数字
设x是精确值x*的一个近似值，记 e=x*-x
称e为近似值x的绝对误差，简称误差。如果满足 |e|≤
则称为近似值x的绝对误差限，简称误差限。 精确值x* 、近似值x和误差限之间满足： x-≤x*≤x+
通常记为 x*=x±
绝对误差有时并不能很好地反映近似程度的好坏，如
随着计算机的飞速发展，数值分析方法已深入到计算 物理、计算力学、计算化学、计算生物学、计算经济学等 各个领域。本课仅限介绍最常用的数学模型的最基本的数 值分析方法。
§2 误差的来源和分类
误 1.差模是型描误述差数值数计学算模之型中通近常似是值由的实精际确问程题度抽，象在得数到值的， 计一般算带中有十误分差重，要这，种误误差差按称来为源模可型分误为差模。型误差、观测误差、 截断误2.差观和测舍误入差误差数四学种模。型中包含的一些物理参数通常是 通过观测和实验得到的，难免带有误差，这种误差称为观 测误差。
《数值分析教程》课件
一种适用于大规模计算的数值方法
详细描述
谱方法适用于大规模计算，通过将问题分解为较小的子问 题并利用多线程或分布式计算等技术进行并行计算，可以 有效地处理大规模的计算任务。
感谢您的观看
THANKS
具有简单、稳定和可靠的优点。
05
数值积分与微分
牛顿-莱布尼兹公式
要点一
总结词
牛顿-莱布尼兹公式是数值积分中的基本公式，用于计算定 积分。
要点二
详细描述
牛顿-莱布尼兹公式基于定积分的定义，通过选取一系列小 区间上的近似值，将定积分转化为一系列小矩形面积之和 ，从而实现了数值积分。
复化求积公式
总结词
算机实现各种算法，为各个领域的科学研究和技术开发提供了强有力的支持。
数值分析的应用领域
总结词
数值分析的应用领域非常广泛，包括科学计算、工程 、经济、金融、生物医学等。
详细描述
数值分析的应用领域非常广泛，几乎涵盖了所有的科学 和工程领域。在科学计算方面，数值分析用于模拟和预 测各种自然现象，如气候变化、生态系统和地球科学等 。在工程领域，数值分析用于解决各种复杂的工程问题 ，如航空航天、机械、土木和电子工程等。在经济和金 融领域，数值分析用于进行统计分析、预测和优化等。 在生物医学领域，数值分析用于图像处理、疾病诊断和 治疗等。总之，数值分析已经成为各个领域中不可或缺 的重要工具。
03
线性方程组的数值解法
高斯消去法
总结词
高斯消去法是一种直接求解线性方程组的方法，通过一系列 行变换将系数矩阵变为上三角矩阵，然后求解上三角方程组 得到解。
详细描述
高斯消去法的基本思想是将系数矩阵通过行变换化为上三角 矩阵，然后通过回带求解得到方程组的解。该方法具有较高 的稳定性和精度，适用于中小规模线性方程组的求解。
线性方程组的解法
线性方程组的解法在数学中，线性方程组是由一系列线性方程组成的方程集合。
解决线性方程组是数学中的一个重要问题，在实际应用中也有广泛的应用。
本文将介绍几种常见的线性方程组的解法，以帮助读者更好地理解和应用这些方法。
一、高斯消元法高斯消元法是解决线性方程组的一种常见且经典的方法。
它通过一系列的行变换，将线性方程组化简为一个上三角矩阵，从而求得方程组的解。
具体步骤如下：步骤1：将线性方程组写成增广矩阵的形式。
步骤2：选取一个非零的系数作为主元素，并将该系数所在行作为当前行。
步骤3：将主元素所在列的其他行元素都通过初等变换变为0。
步骤4：重复步骤2和步骤3，直到将矩阵化简为上三角形式。
步骤5：回代求解，得到线性方程组的解。
高斯消元法是一种直观且容易理解的解法，但对于某些特殊的线性方程组，可能会遇到无解或者无穷多解的情况。
二、矩阵的逆乘法矩阵的逆乘法是另一种解决线性方程组的方法，它通过矩阵的逆和向量的乘法，将线性方程组表示为一个矩阵方程，从而求得方程组的解。
具体步骤如下：步骤1：将线性方程组表示为增广矩阵的形式。
步骤2：判断增广矩阵的系数矩阵是否可逆，如果可逆，则存在矩阵的逆。
步骤3：计算增广矩阵的系数矩阵的逆。
步骤4：将原始线性方程组表示为矩阵方程形式，即AX = B。
步骤5：求解矩阵方程，即X = A^(-1)B。
矩阵的逆乘法是一种简便且高效的解法，但需要注意矩阵的可逆性，在某些情况下可能不存在逆矩阵或者矩阵的逆计算比较困难。
三、克拉默法则克拉默法则是一种基于行列式求解线性方程组的方法。
它通过计算方程组的系数行列式和各个未知数在方程组中的代数余子式，从而求得方程组的解。
具体步骤如下：步骤1：将线性方程组的系数和常数项构成一个矩阵。
步骤2：计算系数矩阵的行列式，即主行列式D。
步骤3：分别将主行列式D中的每一列替换为常数项列，计算得到各个未知数的代数余子式。
步骤4：根据克拉默法则的公式，未知数的值等于其对应的代数余子式除以主行列式D。
线性方程组的数值解法详解演示文稿
n
非行零交判换断的次元数素最个多数为为：：kn1(1nnk1()n12kn)(n
k 1
1)
1 2
n(n
1)
二、矩阵三角分解法
设有线性方程组：AX=b
a11 a12 a1n
x1
b1
A
a21
a22
a2
n
,
X
x2
,
b
b2
.
an1 an2 ann
xn
bn
矩阵三角分解法包括不选主元和选主元两种方法。
1、不选主元三角分解算法 当A非奇异时，可以将A作LU分解：
1 0
0 u11 u12 u1n
A
LU
l21
1
0
0
u22
,
ln1 ln,n1 1 0 0 unn
其中：(矩阵LU分解)
(1) u1 j a1 j (i 1,2,,n), li1 ai1 / u11(i 2,,n),
1
0 0
1
2，y
2 ,
x
0
.
1 1 1 0 0 1
1 1
§3 解线性方程组的迭代法
考虑线性方程组
a11x1 a12x2 a1nxn b1
a21x1
a22x2
a2n xn
b2
an1x1 an2x2 annxn bn
也就是
Ax=b.
进行矩阵分裂
A=M-N,
(2.1) (2.2)
其中
a1(11)
0
0
a1(12) a2(22)
an(22)
a1(1n) a2(2n)
an(2n)
数值分析第二章 线性方程组的数值解法
（2.2）
a11 x1 a12 x2 a1n xn b1 a22 x2 a2 n xn b2 ann xn bn
（2.3）
2．顺序高斯消去法
a11 x1 a12 x2 a13 x3 a1n xn a1, n 1 a 21 x1 a 22 x2 a 23 x3 a 2 n xn a 2, n 1 a n1 x1 a n 2 x2 a n 3 x3 a nn xn a n , n 1
(1) a12 (1) a 22
(1) an 2
0
(1) a1 n (1) a2 n (1) a nn
?
A( 1 )
(1) (1) (1) a11 a12 a1 n (1) (1) (1) a21 a22 a2 n (1) (1) (1) an 2 ann a n1
(k ) (k ) m a 用 ik ik / akk 乘第k行
加到第i行中，得到
a (1) a (1) 1k 11 (k ) akk 0 0
(1) (1) x a1 b 1 n 1 (k ) (k ) (k ) akk 1 akn xk bk ( k 1) . ( k 1) ( k 1) x ak 1k 1 ak 1n k 1 bk 1 ( k 1) ( k 1) x ( k 1) ank 1 ann n b n (1) a1 k 1
写出原方程组的增广矩阵：
0.0120 0.0100 0.1670 0.6781 1.000 0.8334 5.910 12.10 1200 4.200 981.0 3200
线性方程组的数值解法及其应用
线性方程组的数值解法及其应用一、问题描述现实中的问题大多数是连续的，例如工程中求解结构受力后的变形，空气动力学中计算机翼周围的流场，气象预报中计算大气的流动。
这些现象大多是用若干个微分方程描述。
用数值方法求解微分方程（组），不论是差分方法还是有限元方法，通常都是通过对微分方程（连续的问题，未知数的维数是无限的）进行离散，得到线性方程组（离散问题，因为未知数的维数是有限的）。
因此线性方程组的求解在科学与工程中的应用非常广泛。
经典的求解线性方程组的方法一般分为两类：直接法和迭代法。
二、基本要求1）掌握用MATLAB软件求线性方程初值问题数值解的方法；2）通过实例学习用线性方程组模型解决简化的实际问题；3）了解用高斯赛德尔列主元消去法和雅可比迭代法解线性方程组。
三、测试数据1） 直接法：A=[0.002 52.88;4.573 -7.290];b=[52.90;38.44];2） 迭代法：A=[10 -1 -2;-1 10 -2;-1 -1 5];b=[7.2;8.3;4.2];四、算法程序及结果1）function[RA,RB,n,x]=liezy1(A,b)B=[A b];n=length(b);RA=rank(A);RB=rank(B);zhica=RB-RA;if zhica>0,disp('因为RA~=RB,所以此方程组无解.')returnif RA==RBif RA==ndisp('因为RA=RB=n,所以此方程组有唯一解.')x=zeros(n,1);C=zeros(1,n+1);for p=1:n-1[Y,j]=max(abs(B(p:n,p)));C=B(p,:);B(p,:)=B(j+p-1,:);B(j+p-1,:)=C;for k=p+1:nm=B(k,p)/B(p,p);B(k,p:n+1)=B(k,p:n+1)-m*B(p,p:n+1);endendb=B(1:n,n+1);A=B(1:n,1:n);x(n)=b(n)/A(n,n);for q=n-1:-1:1x(q)=(b(q)-sum(A(q,q+1:n)*x(q+1:n)))/A(q,q);endelsedisp('因为RA=RB<n,所以此方程组有无穷多解.')endend测试：A=[0.002 52.88;4.573 -7.290];>> b=[52.90;38.44];>> [RA,RB,n,x]=liezy1(A,b)因为RA=RB=n,所以此方程组有唯一解.RA =2RB =2n =2x =10.00001.00002）function Jacobi(A,b,x0,P,error,max1)[n n]=size(A);x=zeros(n,1);for k=1:max1for j=1;nx(j)=(b(j)-A(j,[1:j-1,j+1:n])*x0([1:j-1,j+1:n]))/A(j,j);endxerrx=norm(x-x0,P);x0=x;x1=A\b;if(errx<error)disp('迭代次数k,精确解x1和近似解x分别是：')kx1xreturnendendif(errx>=error)disp('请注意：Jacobi迭代次数已经超过最大迭代次数max1.') end测试：A=[10 -1 -2;-1 10 -2;-1 -1 5];>>b=[7.2;8.3;4.2];>>x0=[0;0;0];>>Jacobi(A,b,x0,inf,0.001,100)n =3x =0.7200迭代次数k,精确解x1和近似解x分别是：k =2x1 =1.10001.20001.3000x =0.7200五、应用举例1）营养学家配制一种具有1200卡，30g蛋白质及300mg维生素C的配餐。
数值分析中的数值解线性方程组与矩阵计算
数值分析中的数值解线性方程组与矩阵计算数值分析是一门研究利用计算机数值方法解决数学问题的学科。
线性方程组是数值分析领域中常见的问题之一，而矩阵计算则是解决线性方程组的关键。
一、线性方程组的数值解线性方程组指的是由一系列线性方程组成的方程组。
在数值分析中，往往会遇到大规模的线性方程组，解它们的解析解是困难且耗时的，因此需要采用数值方法来求解。
1.1 直接法直接法是一种通过有限次数的运算，得到给定线性方程组的精确解的方法。
其中最常用的方法是高斯消元法和LU分解法。
高斯消元法通过将线性方程组的增广矩阵化为上三角矩阵，再通过回代求解得到解向量。
LU分解法则将系数矩阵分解为一个下三角矩阵L和一个上三角矩阵U，然后通过迭代求解来得到解向量。
1.2 迭代法迭代法是一种通过迭代逼近的方式，不断改进解的近似值，直到满足精度要求为止。
其中最常用的方法是雅可比迭代法和高斯-赛德尔迭代法。
雅可比迭代法通过将线性方程组的每个方程都表示为未知数的显式函数，并通过迭代公式逐步逼近解向量。
高斯-赛德尔迭代法则在雅可比迭代法的基础上，通过使用每次迭代后的更新值来改善近似解的质量。
二、矩阵计算矩阵计算在数值分析中扮演着至关重要的角色，它们是线性方程组求解的基础。
2.1 矩阵乘法矩阵乘法是指将两个矩阵相乘得到一个新的矩阵的运算。
在数值分析中，矩阵乘法常常用于表示线性方程组的系数矩阵与解向量的乘法，以及迭代法中的更新矩阵与解向量的乘法。
2.2 矩阵求逆矩阵求逆是指找到一个矩阵的逆矩阵，使得将该矩阵与其逆矩阵相乘得到单位矩阵。
在数值分析中，矩阵求逆常常用于直接法中的LU分解和迭代法中的雅可比迭代法。
2.3 特征值与特征向量特征值和特征向量是线性代数中的重要概念，也是矩阵计算中的重要内容。
特征值表示矩阵对应的线性变换在某个向量上的缩放因子，而特征向量则表示在该缩放因子下不变的向量。
在数值分析中，特征值和特征向量常常用于求解线性方程组的特殊解，以及判断矩阵的性质和稳定性。
计算方法线性方程组数值解法
d
2
a3b3c3
x3
d3
an
1bn1cn
1
xn
1
d
n
1
anbn xn dn
其系数矩阵为三对角形，元素满足以下条件：
|b1|>|c1|>0
|bi|≥|ai|+|ci|，且aici≠0 i=2，3，……n-1; |bn|≥|an|>0。
可以采用追赶法求解
4
线性代数方面的计算方法就是研究求解线 性方程组的一些数值解法与研究计算矩阵 的特征值及特征向量的数值方法。
5
设有线性方程组
a11x1 a12x2 a1nxn b1 a21x1a22x2a2nxnb2 an1x1 an2x2 annxn bn
式中，aij，bi为已知常数，xi为待求的未知量。记
u
2
2
u 2 n
u n 1,n 1u n 1,n
u n n
10
若uii≠0（i=1,2,……n）,则由下至上依次回代得
xn yn / unn
xn1 ( yn1 xi yi
un1,n xn ) / un1,n1
n
uij x j ) / uii
0
a
( 2
2 2
)
a
( 2
2) ,k 1
a
( 2
2) ,k
a
( 2
2) ,n
a
( 2
2) ,n 1
0 A(k)
0 0
a
( k
k) ,k
a
( k
k) ,k 1
a
k
k ,n
a
( k
k) 1,n
1
线性方程组的求解方法详解
线性方程组的求解方法详解线性方程组是由一系列线性方程组成的方程组，其中每个方程的未知数都是一次项（与其他未知数之间没有乘法关系）。
解线性方程组的目标是找到满足所有方程的未知数的值。
线性方程组的求解方法有多种，包括高斯消元法、矩阵方法、Cramer法则等。
1.高斯消元法高斯消元法是求解线性方程组的经典方法之一、它通过将线性方程组转化为行简化阶梯形矩阵的形式，从而求得未知数的值。
具体步骤如下：第一步，将线性方程组写成增广矩阵的形式，其中增广矩阵的最后一列为方程组的常数项。
第二步，选择一行（通常选择第一行）为主元行，并将其系数设置为1第三步，对于其他行，通过消去主元的系数，并使得该列上下的其他系数为零。
这一步称为消元操作。
第四步，重复第三步，直到所有行都被消元为止。
第五步，通过回代法，将最简形的增广矩阵转化为解方程组所需的形式。
从最后一行开始，将未知数的值代入到其他行的系数中，直到所有未知数都求得其值。
2.矩阵方法矩阵方法是一种利用矩阵运算求解线性方程组的方法。
该方法可以通过矩阵的逆矩阵、伴随矩阵等来求解。
具体步骤如下：第一步，将线性方程组的系数矩阵和常数矩阵写成增广矩阵的形式。
第二步，求解系数矩阵的逆矩阵。
第三步，将逆矩阵和常数矩阵相乘，得到未知数的解向量。
3. Cramer法则Cramer法则是一种基于行列式的方法，可以求解n元线性方程组。
该方法的基本思想是通过计算行列式的值来求解方程组。
具体步骤如下：第一步，计算线性方程组的系数矩阵的行列式值，如果行列式值不为零则方程组有唯一解，如果行列式值为零，则方程组无解或者有无穷多解。
第二步，将系数矩阵的每一列用常数项替换，并计算其行列式值。
第三步，将每个未知数的系数矩阵的行列式值除以原始行列式的值，得到解向量。
4.LU分解法LU分解法是一种将线性方程组的系数矩阵分解为一个下三角矩阵和一个上三角矩阵的方法。
该方法利用了矩阵分解的性质，通过将线性方程组转化为一个简单的形式，从而求得未知数的值。
线性方程组的数值解法-安振华-2012011837
实验5：线性方程组的数值解法化学工程系分2 安振华2012011837【实验目的】1、掌握线性方程组的常用数值解法，包括高斯消去法、LU分解法以及校正法。
2、体验数值计算的时间复杂度和计算规模的关系。
3、加深对数值计算误差的理解。
4、学习使用迭代法等算法，求解非线性方程。
5、学习如何使用MATLAB解非线性方程组和方程组。
【实验容】【实验五：习题9】种群的繁殖与稳定收获：种群的数量因繁殖而增加，因自然死亡而减少，对于人工饲养的种群（比如家畜）而言，为了保证稳定的收获，各个年龄的种群数量应保持不变，种群因雌性个体的繁殖而改变，为方便起见以下种群数量均指其中的雌性。
种群年龄记作k=1,2,…,n，当年年龄k的种群数量记作x k，繁殖率记作b k（每个雌性个体在1年繁殖的数量），自然存活率记作s k（s k=1-d k，d k为1年的死亡率），收获量记作h k，则来年年龄k的种群数量k x应为：111,(1,2,,1)n k k k k k k k x b x x s x h k n +===-=⋅⋅⋅-∑要求各个年龄的种群数量每年维持不变就是要使(1,2,,)k k x x k n ==⋅⋅⋅（1） 若b k ，s k 已知，给定收获量h k ，建立求各年龄的稳定种群数量x k 的模型（用矩阵向量表示）（2） 设n=5，b 1=b 2=b 5=0，b 3=5，b 4=3，s 1=s 4=0.4，s 2=s 3=0.6，如果要求h 1~h 5为500,400,200,100,100,求x 1~x 5 （3） 要使h 1~h 5均为500，如何达到？ 【分析】为方便起见以下种群数量均指其中的雌性。
我们并且有以下的假设：(1)雌性个体的繁殖率和存活率在特定的时间是不变的。
(2)人工饲养的种群在质量和数量上是不受外界环境和资源的限制的。
(3)模型中不考虑人为的或是自然的灾害所造成的种群数量、繁殖率和存活率的变动。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
(1) (1) (1) (1) (1) (1) a x a x a x a x a x b 11 1 12 2 1k k 1k 1 k 1 1n n 1 (2) (2) (2) (2) (2) a x a x a x a x b 22 2 2k k 2k 1 k 1 2n n 2 (k ) (k ) (k) (k ) a x a x a x b (2- 6)(c) kk k kk 1 k 1 kn n k 第k步消元后同解 (k 1) (k 1) (k 1) a x a x b 方程组中上标为 k 1,k 1 k 1 k 1n n k 1 k+1 的元素的计算 公式见下屏： (k 1) (k 1) (k 1) a x a x b nk 1 k 1 nn n n
而以
乘第一个方程加到第二 个方程中 ,并以
,
(1) a41 (1) a11
分别
乘第一个方程加到第三 , 第四个方程上消 x1, 这些乘数实际上可记 l21
(1) a21 (1) a11
, l31
(1) a31 (1) a11
, l41
(1) a41 (1) a11
或记为 li1
上标为3的系数 和右端项可由 下面公式计算：
( 3 ) ( 2 ) ( 2 ) a a l a ij ij i2 2j (3 ) ( 2 ) ( 2 ) b b l b i i2 2 i
i , j 3 , 4
第三步：消元：消x3（4阶方程组需进行3次消元） Gauss 消元法的基本步骤 3（4阶） (3) (3) 将上述 A X = b 中最后一个方程中的x3消为零：
其中：
a a x b 11 a 12 1 n 1 1 a a x b 21 a 22 2 n 2 2 A ， x ， b ： ∶ b a a x a n nn n n1 n2
如果线性方程组Ax = b的系数行列式不为零， 即det(A) 0，则该方程组有唯一解。
求解Ax = b，曾经学过克莱姆(Cramer)法则， 矩阵变换法等，但已远远满足不了实际运算的需要， 主要体现两个方面：一是运算的快速和准确，其次 是方程组的个数增大时的计算问题。如何建立能在 计算机上可以实现的有效而实用的解法，具有极其 重要的意义，我们都知道，Cramer法则在理论上是 绝对正确的，但当 n较大时， 在实际计算中却不能 用。
再消一次元得：
x1 x2 x3 6 15x2 9x3 57 22 66 x3 5 5
(2- 3)(b)
二次消元后将方程 化为倒三角形式，然后 进行回代容易解出： x3 = 3, x2 = 2, x1 = 1。
上述 Gauss 消元法的基本思想是：先逐次消去变量，将方 程组化成同解的上三角形方程组，此过程称为消元过程。然后 按方程相反顺序求解上三角形方程组，得到原方程组的解，此 过程称为回代过程。 我们的目的，是要总结归纳出一般情况下的n阶线性方程组 的消元公式和回代求解公式，从而得到求解n阶线性方程组的能 顺利在计算机上实现的行之有效的算法。
( 1 ) ( 1 ) ( 1 ) ( 1 ) ( 1 ) a x a x a x a x b 11 1 12 2 13 3 14 4 1 Gauss 消元法的基本步骤 1 （4阶） (1) ( 1 ) ( 1 ) ( 1 ) ( 1 ) a 21x 1 a 22x 2 a 23x 3 a 24x 4 b 2 为能更清楚地得到算法，下面以 4 阶线性方程组为例 (2 -4) (1) ( 1 ) ( 1 ) ( 1 ) ( 1 ) a 总结求解步骤，并且很容易地可推广至一般的 n阶线性方 31x 1 a 32x 2 a 33x 3 a 34x 4 b 3 ( 1 ) ( 1 ) ( 1 ) ( 1 ) ( 1 ) 程组。 a x a x a x a x b 42 2 43 3 44 4 4 41 1
( 1 ) ( 1 ) ( 1 ) ( 1 ) 统一加上标 , 并简记为 A x b , A A , b b , 首先 :
(1) 第一步 : 找乘数 , 假定 a11 (1) a21 (1) a11
(1) a21 0,要消第二个方程中 x1,可以 (1) 为乘数 , a11 (1) a31 (1) a11
完成第一次消元之后 的方程组记为：
A(2) x = b (2)
Gauss消元法的基本步骤2（4阶）
( 2 ) i 2 ( 2 ) 22
a 第二步 : 消 x , 首先找到乘数 l , i 3 , 4 2 i 2 a
以方程组中第i个方程减去第二个方程乘li2 (i = 3, 4)， 完成第二次消元。 a(1)x a(1)x a(1)x a(1)x b(1)
( 3 ) a 43 找乘数 l , 以第四个方程减去第三 个方程乘 l 得： 43 43 ( 3 ) a 33
(1) (1) (1) (1) (1) a 经过上述消元步骤， 11x 1 a 12x 2 a 13x 3 a 14x 4 b 1 得到同解的上三角形 (2) (2) (2) (2) a22 x2 a23 x3 a24 x4 b 2 (4) x = b(4) 方程组： A (2 4)(c) (3) (3) (3) a33 x3 a34 x4 b 3 然后可回代求解：由于A(4) (4) (4) a44 x4 b 为上三角形，所以可按变 4 量的逆序逐步回代求原方 (4 ) (4 ) 程组的解： x b 4 4 /a 44 4 上述 消元、回代求解过程 (k ) (k ) (k ) x ( b a /a , k 3 ,2 ,1 (2 -5)很容易推广到一般的n阶线 k k klx l) kk l k 1
个方程乘以li2 (i=3,…,n)，完成 第二步消元。
第k 步：设第 k消元法的消元过程 1步消元后得原方程组的同解方程组为： Gauss 3（n阶）
(1) (1) (1) (1) (1) a11 x1 a12 x2 a1 a1 k xk n xn b 1 (k ) (2) (2) (2) (2) 设 a kk 0, a22 x2 a2k xk a2n xn b2 (k ) (k ) 记 l a / a ik ik kk (i k 1, , n ) (2- 6)(b) (k ) (k ) (k ) 将上方程组中第 i个方程减去 akk xk akn xn bk 第k个方程乘以 lik (i k 1,, n ), (k ) (k ) (k ) ank xk ann xn bn 完成第 k步消元 , 得同解方程组：
(1 ) 11 1 (1 ) 12 2 (1 ) 13 3 (1 ) 14 4 (1 ) 1
( 2 ) ( 1 ) ( 1 ) a a l a ij ij i 1 1 j (2 ) ( 1 ) ( 1 ) b b l b i i i 1 1
i , j 2 , 3 , 4
1) ai(1 (1) a11
（ i 2,3,4 ）
Gauss消元法的基本步骤1（4阶）
可以检查，分别以li1乘第一个方程加到第i个方程 上可以完成第一次消元，得同解方程组：
a x a x a x a x b 变化以后的方 (2) (2) (2) (2) a22 x2 a23 x3 a24 x4 b 程组系数及右 2 (2 4)(a) 边的常数项可 (2) (2) (2) (2) a32 x2 a33 x3 a34 x4 b 3 总结出如下的 (2) (2) (2) (2) 计算公式： a x a x a x b 42 2 43 3 44 4 4
§2 线性方程组的数值解法
2.1 概述 2.2 Gauus 消元法 2.3 主元素法 2.1 引入主元素法的必要性 2.2 列主元素法 2.3 全主元素法 2.4 Jacobi迭代法 2.5 Gauss-Seidel迭代法
2.1 概 述
在科学研究和工程技术中所提出的计算问题中，线性方程 组的求解问题是基本的，常见的，很多问题如插值函数，最小 二乘数据拟合，构造求解微分方程的差分格式等，都包含了解 线性方程组问题，因此，线性方程组的解法在工程计算中占有 较重要的地位。
(2 -3)
解：消去x1，进行第一次消元：首先找乘数，以-12乘
第一个方程加到第二个方程，以18乘第一个方程加到第三个方 程上可得同解方程组：
x 1 x 2 x 3 6 15 x 9 x 57 2 3 21 x 17 x 2 3 93
(2 -3)(a)
例1（续）
( 1 ) a ( 1 ) i 1 第一步 :设 a 0 , 记 l ( i 2 , 3 , ,n ) 将方程组中第 i 个方程减 i 1 11 ( 1 ) a 11
第 1 个方程乘以 l ( i 2 , 3 , ,n ) 完成第一次消元 ,得原方程组的同 组 i 1
(1) (1) (1) (1) (2) a ( 2 ) ( 1 ) ( 1 ) x a x a x b a 11 1 12 2 1n n 1 i 2 a a l a l ij ij i 1 1 j i 2 (2) (2) (2) (2) 其中： i ,j 2 , 3 , ,n a 22 a22 x2 a2n xn b2 (2 ) ( 1 ) ( 1 ) (2-6)(a) b b l b i i i 1 1 (2) (2) (2) 将上方程组中第i个方程减去第2 a x a x b n2 2 nn n n
线性方程组的数值解法
解线性方程组的数值方法大致分为两类：