迭代法求解线性方程组
数值分析与算法 简单迭代法求解线性方程组
简单迭代法求解线性方程组1.原理:将原线性方程组Ax=b中系数矩阵的主对角线移到一边并将其系数化为一,然后在给定迭代初值的情况下通过迭代的方法求解线性方程组的值。
2.C语言实现方式:(1)计算迭代矩阵:将系数矩阵的所有值分别处以各自所在行的主对角线值,然后将主对角线赋值为0。
(2)输入迭代初值,进行迭代将迭代初值存入y[n]矩阵,然后利用迭代式nn=nn+x[i][j]*y[j];y[i]=nn+b[i];经过有限次迭代得到误差要求以内的值3.源程序如下:#include<iostream>#include<math.h>#include<iomanip>using namespace std;#define kk 50 //定义最大方程元数int n,i,c,j,hh,gg,mm;double A[kk][kk],x[kk][kk],b[kk],y[kk],a[kk],z[kk],m,nn,d,e=1,w,fff ;void main(){cout<<"输入的方程元数"<<endl; //数据的输入cin>>n;cout<<"请输入方程系数矩阵:"<<endl;for(i=0;i<n;i++)for(j=0;j<n;j++)cin>>A[i][j];cout<<"请输入右边向量:"<<endl;for(i=0;i<n;i++)cin>>b[i];cout<<"输入你想要的迭代精度(建议1e-5以上)!"<<endl; cin>>fff;cout<<"输入最大迭代次数(建议300次以上)!"<<endl; cin>>mm;//计算出迭代矩阵for(i=0;i<n;i++){b[i]=b[i]/A[i][i];for(j=0;j<n;j++){if(i==j){x[i][i]=0;}else{x[i][j]=-A[i][j]/A[i][i];}}}//输出迭代矩阵cout<<"计算出迭代矩阵为:"<<endl;for(i=0;i<n;i++){for(j=0;j<n;j++)cout<<x[i][j]<<" ";cout<<b[i]<<" ";cout<<endl;}//赋迭代初值cout<<"输入迭代初值"<<endl;for(i=0;i<n;i++)cin>>y[i];int f=1;//简单迭代法cout<<" ";for(i=1;i<n+1;i++)cout<<'\t'<<"X["<<i<<"]"<<" "<<'\t';cout<<"精度";cout<<endl;cout<<"迭代初值为: ";cout<<setiosflags(ios::fixed);for(i=0;i<n;i++)cout<<y[i]<<" ";cout<<endl;while(e>fff){for(i=0;i<n;i++){z[i]=y[i];nn=0;for(j=0;j<n;j++){nn=nn+x[i][j]*y[j];y[i]=nn+b[i];}e=fabs(z[0]-y[0]);if(fabs(z[i]-y[i])>e)e=fabs(z[i]-y[i]);if(i==0){cout<<setiosflags(ios::fixed);cout<<"第"<<setw(3)<<setprecision(3)<<f++<<"次迭代"<<" "; }cout<<setiosflags(ios::fixed);cout<<setw(8)<<setprecision(8)<<y[i]<<" ";}cout<<e;cout<<endl;if(f>mm){cout<<"迭代次数大于"<<mm<<"次"<<endl;cout<<"认为方程发散,迭代不收敛"<<endl;exit(1);}}cout<<endl;cout<<endl;cout<<"方程迭代了"<<f-1<<"次,达到你所要求的精度"<<fff<<endl;cout<<"最后结果为:"<<endl;cout<<endl;for(i=0;i<n;i++){cout<<"X"<<"["<<i+1<<"]"<<"="<<y[i];cout<<endl;}exit(1);}4.实验数据和结果:按照提示依次输入方程元数,系数矩阵,右边向量和迭代初值。
第五章 解线性方程组的迭代解法
定义迭代法为: 定义迭代法为:
x ( k + 1) = G J x ( k ) + g
其中Jacobi迭代矩阵:GJ = D1 ( L + U ) 迭代矩阵: 其中 迭代矩阵
g = D 1b = (7.2, 8.3, 8.4)T 取 x ( 0 ) = (0, 0, 0)T , 代入迭代式,得x(1) = Bx ( 0 ) + g = (7.2, 8.3, 8.4)T x ( 2 ) = Bx (1) + g = (9.71,10.70,11.5)T x (9 ) = (10.9994,11.9994,12.9992) 精确解为 x = (11,12,13)T .
记
A = D L U
其中 D = diag (a11 ,, ann ) , L, U 分别为 A 的 严格下、上三角形部分元素构成的三角阵 严格下、上三角形部分元素构成的三角阵. Gauss-Seidel方法的矩阵形式为 方法的矩阵形式为
x ( k +1) = D1 ( Lx ( k +1) + Ux ( k ) + b)
或者
x ( k +1) = ( D L)1Ux ( k ) + ( D L)1 b
( 这说明Gauss-Seidel方法的迭代矩阵为 D L)1U 方法的迭代矩阵为 这说明
从而有
定理5.2 定理5.2 Gauss-Seidel方法收敛的充分必要条件为 方法收敛的充分必要条件为
ρ (GG ) < 1 或
计算方法3_线性方程组迭代解法
计算方法3_线性方程组迭代解法线性方程组的迭代解法是解决线性方程组的一种常见方法,常用于大规模的线性方程组求解。
该方法通过不断迭代更新解的近似值,直到满足一定的收敛准则为止。
线性方程组的迭代解法有很多种,其中最经典的是雅可比迭代法、高斯-赛德尔迭代法和超松弛迭代法。
本文将分别介绍这三种迭代解法及其计算方法。
雅可比迭代法是一种比较简单的线性方程组迭代解法,它的基本思想是先将线性方程组转化为对角占优的形式,然后通过迭代求解逐渐接近精确解。
雅可比迭代法的迭代公式为:其中,x^(k+1)是第k+1次迭代的近似解,n是未知数的个数,a_ij 是系数矩阵A的元素,f_i是方程组的右端向量的元素。
雅可比迭代法的计算步骤如下:1.将线性方程组转化为对角占优的形式,即保证矩阵A的对角元素绝对值大于其它元素的绝对值。
2.初始化向量x^(0),设定迭代终止准则。
3.根据雅可比迭代公式,计算x^(k+1)。
4.判断迭代终止准则是否满足,如果满足,则停止迭代,返回近似解x^(k+1);否则,继续进行下一次迭代。
高斯-赛德尔迭代法是雅可比迭代法的改进方法,它的基本思想是在每次迭代计算x^(k+1)时,利用已经计算出的近似解作为x的一部分。
高斯-赛德尔迭代法的迭代公式为:其中,x^(k+1)_i是第k+1次迭代的近似解中第i个未知数的值,x^(k)_i是第k次迭代的近似解中第i个未知数的值。
高斯-赛德尔迭代法的计算步骤如下:1.将线性方程组转化为对角占优的形式。
2.初始化向量x^(0),设定迭代终止准则。
3.根据高斯-赛德尔迭代公式,计算x^(k+1)。
4.判断迭代终止准则是否满足,如果满足,则停止迭代,返回近似解x^(k+1);否则,继续进行下一次迭代。
超松弛迭代法是对高斯-赛德尔迭代法的一种改进方法,它引入了松弛因子ω,通过调整参数ω的值,可以加快迭代的收敛速度。
超松弛迭代法的迭代公式为:其中,0<ω<2,x^(k+1)_i是第k+1次迭代的近似解中第i个未知数的值,x^(k)_i是第k次迭代的近似解中第i个未知数的值。
线性方程组的迭代式求解方法
线性方程组的迭代式求解方法迭代法解方程的基本原理1.概述把 Ax=b 改写成 x=Bx+f ,如果这一迭代格式收敛,对这个式子不断迭代计算就可以得到方程组的解。
道理很简单:对 x^{(k+1)}=bx^{(k)}+f 两边取极限,显然如果收敛,则最终得到的解满足 \lim_{k\rightarrow\infty } x^{(k)}=x^*=Bx^*+f ,从而必然满足原方程 Ax^*=b 。
迭代方法的本质在于这一次的输出可以当作下一次的输入,从而能够实现循环往复的求解,方法收敛时,计算次数越多越接近真实值。
2.收敛条件充要条件:迭代格式 x=Bx+f 收敛的充要条件是 \rho (B)<1充分条件: \Vert B\Vert <1即 \Vert B\Vert <1 \Rightarrow \rho(B)<1\Leftrightarrow 迭代收敛一、Jacobi迭代法怎样改写Ax=b ,从而进行迭代求解呢?一种最简单的迭代方法就是把第i行的 x_i 分离出来(假定 a_{ii} \ne 0 ):\sum_{j=1}^{n}a_{ij}x_j=b_i\Rightarrow x_i=\frac{b_i-\sum_{j=1,j\ne i}^{n}a_{ij}x_j}{a_{ii}}\quad \\这就是Jacobi(雅可比)迭代法。
迭代格式给定x^{(0)}=\left[x_1^{(0)},x_2^{(0)},\cdots,x_n^{(0)}\rig ht]^T ,则Jacobi法的迭代格式(也称分量形式)为x_i^{(k+1)}=\frac{1}{a_{ii}}\left ( {b_i-\sum_{j=1,j\ne i}^{n}a_{ij}x_j^{(k)}}\right),\quadi=1,2,\cdots,n\\矩阵形式设 A=D-L-U。
Jacobi法的矩阵形式(也称向量形式)为x^{(k+1)}=B_Jx^{(k)}+D^{-1}b\\其中迭代矩阵 B_J=D^{-1}(L+U)收敛条件\begin{eqnarray} \left. \begin{array}{lll} \VertB_J\Vert <1 \\ A 严格对角占优\\ A, 2D-A对称正定\end{array} \right \} \end{eqnarray} \Rightarrow \rho (B_J)<1\Leftrightarrow 迭代收敛特别地,若 A 对称正定且为三对角,则 \rho^2(B_J)=\rho (B_G)<1 。
Jacobi迭代法求解线性方程组实验报告
仿真平台与工具应用实践Jacobi迭代法求解线性方程组实验报告院系:专业班级:姓名:学号:指导老师:一、实验目的熟悉Jacobi迭代法原理;学习使用Jacobi迭代法求解线性方程组;编程实现该方法;二、实验内容应用Jacobi迭代法解如下线性方程组:, 要求计算精度为三、实验过程(1)、算法理论迭代格式的引出是依据迭代法的基本思想: 构造一个向量系列, 使其收敛至某个极限, 则就是要求的方程组的准确解。
Jacobi迭代将方程组:在假设, 改写成如果引用系数矩阵, 及向量, , ,方程组(1)和(2)分别可写为: 及, 这样就得到了迭代格式用迭代解方程组时, 就可任意取初值带入迭代可知式, 然后求。
但是, 比较大的时候, 写方程组和是很麻烦的, 如果直接由, 能直接得到, 就是矩阵与向量的运算了, 那么如何得到, 呢?实际上, 如果引进非奇异对角矩阵将分解成:要求的解, 实质上就有而是非奇异的, 所以存在, 从而有我们在这里不妨令就得到迭代格式:(2)算法框图(3)、算法程序m 文件:function x=jacobi(A,b,P,delta,n)N=length(b); %返回矩阵b的最大长度for k=1:nfor j=1:Nx(j)=(b(j)-A(j,[1:j-1,j+1:N])*P([1:j-1,j+1:N]))/A(j,j);enderr=abs(norm(x'-P)); %求(x'-P)模的绝对值P=x';if(err<delta) %判断是否符合精度要求break;endendE=eye(N,N); %产生N行N列矩阵D=diag(diag(A));f=A*inv(D); %f是A乘D的逆矩阵B=E-f;Px=x';k,errBMATLAB代码:>> clear allA=[4, -1, 1;4, -8, 1;-2, 1, 5];b=[7, -21, 15]';P=[0,0,0]';x=jacobi(A,b,P,1e-7,20)(4)、算法实现用迭代法求解方程组:正常计算结果是2, 3, 4 , 下面是程序输出结果:P =2.00004.00003.0000k =17err =9.3859e-008B =0 -0.1250 -0.2000-1.0000 0 -0.20000.5000 0.1250 0x =2.00004.00003.0000四、实验体会五、MATLAB是非常实用的软件, 能够避免大量计算, 简化我们的工作, 带来便捷。
高斯-赛德尔迭代法例题
高斯-赛德尔迭代法例题高斯-赛德尔迭代法是一种用于解线性方程组的迭代方法。
它通过不断更新变量的值来逼近方程组的解。
以下是一个使用高斯-赛德尔迭代法求解线性方程组的例题:考虑以下线性方程组:```2x + y + z = 9x + 3y + z = 10x + y + 4z = 16```我们可以将方程组表示为矩阵形式:```| 2 1 1 | | x | | 9 || 1 3 1 | x | y | = | 10 || 1 1 4 | | z | | 16 |```迭代的过程如下:1. 选择一个初始解向量,比如x=0, y=0, z=0。
2. 使用迭代公式进行更新:-更新x 的值:x_new = (9 - y - z) / 2-更新y 的值:y_new = (10 - x_new - z) / 3-更新z 的值:z_new = (16 - x_new - y_new) / 43. 重复步骤2,直到解向量的值收敛于方程组的解。
假设我们进行3次迭代,初始解向量为x=0, y=0, z=0。
则迭代的过程如下:1. 第一次迭代:-更新x 的值:x_new = (9 - 0 - 0) / 2 = 4.5-更新y 的值:y_new = (10 - 4.5 - 0) / 3 ≈1.83-更新z 的值:z_new = (16 - 4.5 - 1.83) / 4 ≈2.422. 第二次迭代:-更新x 的值:x_new = (9 - 1.83 - 2.42) / 2 ≈2.87-更新y 的值:y_new = (10 - 2.87 - 2.42) / 3 ≈1.9-更新z 的值:z_new = (16 - 2.87 - 1.9) / 4 ≈2.813. 第三次迭代:-更新x 的值:x_new = (9 - 1.9 - 2.81) / 2 ≈1.65-更新y 的值:y_new = (10 - 1.65 - 2.81) / 3 ≈1.85-更新z 的值:z_new = (16 - 1.65 - 1.85) / 4 ≈3.14经过3次迭代后,解向量的值接近于x ≈ 1.65, y ≈1.85, z ≈3.14,这就是方程组的近似解。
解线性方程组的迭代法
|| x || 0 (非负性) ; (1)|| x || 0 ,当且仅当 x 0 时,
(2) || x ||| | || x || (齐次性); (3) || x y |||| x || || y || (三角不等式). 则称 || x || 为向量 x 的范数 (或模).
4.1.2 向量范数和向量序列的极限
常用的向量范数:设 x R n (1)向量的 - 范数 (最大范数): || x || max | xi |
1 i n
|| x ||1 (2)向量的 1 - 范数 (绝对值范数):
(3)向量的 2 - 范数:|| x ||2 ( x , x ) (
|| A ||2 3+2 2 , || A ||F 6
4.1.3 矩阵范数和矩阵序列的极限
(k ) ) R nn ,如果存 定义5 (矩阵序列的极限) 设有矩阵序列 Ak (aij
在 A (aij ) R nn,使
k (k ) lim aij aij ,
i, j 1, 2,
(4) || AB |||| A || || B || ; 则称 || A || 为矩阵 A 的范数.
4.1.3 矩阵范数和矩阵序列的极限
相容性: 设有矩阵范数 || ||s 和向量范数 || ||t ,如果对任何向量 x R n 及矩阵 A R nn ,有/2 || A ||F ( aij ) i , j 1 n
它是与向量 2-范数相容的矩阵范数,但不是从属范数.
4.1.3 矩阵范数和矩阵序列的极限
解线性方程组的迭代法
0.9906
0.0355
5 1.01159 0.9953
1.01159 0.01159
6 1.000251 1.005795 1.000251 0.005795
7 0.9982364 1.0001255 0.9982364 0.0017636
可见,迭代序列逐次收敛于方程组的解, 而且迭代7次得到精确到小数点后两位的近似解.
a11x1 a12x2 a13x3 b1 a21x1 a22x2 a23x3 b2 a31x1 a32x2 a33x3 b3
从而得迭代公式
x1
a12 a11
x2
a13 a11
x3
b1 a11
x2
a21 a22
x1
a23 a22
x3
b2 a22
x3
a31 a33
M 00.8 00..75
但(M)=0.8<1,所以迭代法 x(k+1)=Mx(k)+g 是收敛的.
由(3.5)式可见,‖M‖越小收敛越快,且当‖x (k) -x(k-1) ‖很小时,‖x(k) –x*‖就很小,实际中用‖x (k) x(k-1) ‖<作为
迭代终止的条件。 例如,对例1中的Jacobi迭代计算结果
+‖x(k+1) –x*‖‖M‖‖x(k) –x(k-1)‖+‖M‖‖x(k) –x*‖ 从而得‖x(k) –x*‖‖M‖‖x (k) -x(k-1) ‖/(1- ‖M‖)
(3.5) (3.6)
估计式(3.5)得证。利用(3.5)式和
‖x(k+1) 得到
-x(k)
‖‖M‖‖x
(k)
-x(k-1)
‖
解线性方程组 的迭代法
线性方程组迭代法
线性方程组迭代法
线性方程组迭代法,又称坐标下降法,是一种用于解线性方程组的迭代求解方法,常用于线性规划以及单纯形法等技术。
早在上世纪50年代,此方法就在解决
线性规划问题中得到了广泛应用,到目前为止,这种技术仍然广泛使用。
线性方程组迭代法是一种基于不断迭代调整变量,使目标函数达到最优结果的
迭代求解法。
其基本步骤是:
(1) 初始化目标函数变量:首先,初始化线性方程组的目标函数的变量;
(2) 评估梯度:选择合适的算法计算目标函数的梯度;
(3) 根据该梯度更新变量:更新目标函数变量的值,使得在此次更新之后的值
更加有利于满足线性方程组的要求;
(4) 重复上述步骤,直到目标函数足够接近最优值为止;
线性方程组迭代法能够快速地求解出线性规划问题的最优解,因此,它在计算
机上经常被用来优化问题,进而提高系统运行效率。
随着网络技术的发展,线性方程组迭代法在互联网领域得到了广泛应用,这在大大缩短了计算机程序的运行时间,提高了互联网的效率。
同时,线性方程组迭代法也有助于提高系统的性能,改善用户的体验,提升企业的品牌形象。
线性代数方程组迭代法PPT课件
超松弛法
收敛速度快
总结词
总结词
计算量较大
ABCD
详细描述
超松弛法具有较快的收敛速度,尤其对于大型线 性方程组,能够显著减少迭代次数。
详细描述
由于超松弛法的计算量较大,因此在实际应用中 可能需要考虑计算效率的问题。
CHAPTER 04
迭代法的实现步骤
初始化
设置初值
为方程组的解向量设定一个初始值。
迭代法的应用场景
当方程组的系数矩阵难以直接求解时 ,迭代法可以作为一种有效的替代方 案。
在科学计算、工程技术和经济领域中 ,许多问题可以转化为线性代数方程 组求解,而迭代法在这些领域有广泛 的应用。
迭代法的优缺点
优点
迭代法通常比直接法更加灵活和通用,对于大规模和高维度的线性代数方程组, 迭代法更加高效。
缺点
迭代法需要选择合适的迭代公式和参数,并且需要满足收敛条件,否则可能无 法得到正确的解。此外,迭代法的计算过程比较复杂,需要较高的计算成本。
CHAPTER 02
迭代法的基本原理
迭代法的数学模型
迭代法是一种求解线性代数方程组的数值方法,通过不断迭代逼近方程的 解。
迭代法的数学模型通常表示为:$x_{n+1} = T(x_n)$,其中$x_n$表示第 $n$次迭代时的近似解,$T(x)$表示迭代函数。
03
非线性方程组的迭代法在求解优化问题、控制问题 等领域有广泛应用。
在优化问题中的应用
01
迭代法在优化问题中也有广泛应用,如求解无约束优化问题、 约束优化问题和多目标优化问题等。
02
常见的优化问题迭代法包括梯度下降法、牛顿法和共轭梯度法
等。
这些方法通过不断迭代来逼近最优解,广泛应用于机器学习、
数值分析第六章线性方程组迭代解法
数值分析第六章线性方程组迭代解法线性方程组是数值分析中的重要内容之一,其求解方法有很多种。
其中一种常用的方法是迭代解法,即通过不断迭代逼近方程组的解。
本文将介绍线性方程组迭代解法的基本思想和常用方法。
线性方程组可以用矩阵形式表示为Ax=b,其中A是系数矩阵,b是常数向量,x是未知向量。
线性方程组的解可以是唯一解,也可以是无穷多个解。
迭代解法的基本思想是通过不断迭代,并利用迭代序列的极限,逼近线性方程组的解。
迭代解法适用于大型的线性方程组,而直接求解法则适用于小型的线性方程组。
常用的迭代解法有雅可比迭代法、高斯-赛德尔迭代法和逐次超松弛迭代法。
雅可比迭代法是最简单的线性方程组迭代解法之一、它的基本思想是将线性方程组的每个方程都单独表示为未知数x的显式函数,然后通过不断迭代求解。
雅可比迭代法的迭代公式为:x(k+1)=D^(-1)(b-(L+U)x(k))其中,D是A的对角元素构成的对角矩阵,L是A的下三角矩阵,U 是A的上三角矩阵,x(k)是第k次迭代的解。
高斯-赛德尔迭代法是雅可比迭代法的改进版。
它的基本思想是将每个方程的解带入到下一个方程中,而不是等到所有方程都迭代完毕后再计算下一组解。
高斯-赛德尔迭代法的迭代公式为:x(k+1)=(D-L)^(-1)(b-Ux(k))其中,D是A的对角矩阵,L是A的下三角矩阵(除去对角线),U是A的上三角矩阵(除去对角线),x(k)是第k次迭代的解。
逐次超松弛迭代法是对高斯-赛德尔迭代法的改进。
它引入了松弛因子w,通过调节松弛因子可以加快收敛速度。
逐次超松弛迭代法的迭代公式为:x(k+1)=(D-wL)^(-1)[(1-w)D+wU]x(k)+w(D-wL)^(-1)b其中,D是A的对角矩阵,L是A的下三角矩阵(除去对角线),U是A的上三角矩阵(除去对角线),w是松弛因子,x(k)是第k次迭代的解。
线性方程组迭代解法需要设置迭代停止准则,通常可以设置迭代次数上限或者设置一个精度要求。
解线性方程组的迭代法
解线性方程组的迭代法设线性方程组为Ax b =其中,A 为n 阶非奇异矩阵,n x R ∈,n b R ∈,0b ≠。
当A 为低阶稠密矩阵,直接法是比较好的方法。
当A 为高阶稀疏矩阵,例如偏微分方程数值解所产生的方阵,这时采用迭代法比较合适了。
不过,这里所谓低阶与高阶并没有明显的分界,在高性能计算机面前,一万阶也不算高。
所谓稀疏矩阵,笼统地说,就是零元素占绝大多数的矩阵,反之就是稠密矩阵了。
1.迭代法的一般理论将Ax b =等价地改写为方程组x Gx f =+其实,就是将原方程组等价变形为不动点方程的格式,以便于进行不动点迭代。
任取初始向量(0)x ,作 (1)(0)x Gx f =+, (2)(1)x Gx f =+, ……(1)()k k x Gx f +=+,0,1,2,k =⋅⋅⋅G 称为迭代矩阵。
如果向量序列{}()k x 是收敛的,假设()*lim k k x x →∞=,或者()*lim 0k k x x →∞−=,则**x Gx f =+也就是说*x 是x Gx f =+的解,即Ax b =的解,而它与初始向量(0)x 的选取无关。
如何保证该向量序列收敛呢? 设误差()()*k k x x ε=−,则(1)(1)*()*()*()()()k k k k k x x Gx f Gx f G x x G εε++=−=+−+=−=,0,1,2,k =⋅⋅⋅因此,()(1)2(2)3(3)(0)k k k k k G G G G εεεεε−−−====⋅⋅⋅=,0,1,2,k =⋅⋅⋅为了保证对任意初始向量(0)x ,{}()k ε收敛,必须且只须{}k G 收敛。
那么,如何保证{}k G 收敛,{}k G 若收敛,会收敛到哪里?这就需要如下一个引理。
引理1.设n n B C ×∈,则{}k B 收敛当且仅当()1B ρ<。
如果()1B ρ<,则lim 0k k B →∞=。
数值计算方法第三章 线性方程组迭代法
0,1,2,
取x1(0) 0, x2(0) 0,计算结果如下:
k0
x (k) 1
0
x (k) 2
0
1
2
3
4
0.66667 0.50000 0.61111 0.58333
0.50000 0.16667 0.25000 0.19445
5
6
7
8
9
0.60185 0.59722 0.60031 0.59954 0.6005
从而得迭代式 x(k1) (D L)1Ux (k) (D L)1 b, (k 0,1,2, )
上式中矩阵 M (D L)1U 为Gauss-Seidel迭代矩阵。
输入:A,b, n,
置初值: k 0; xi 0(i 1,L , n)
k k 1;e 0
3xx1 12xx22
2 1
精确到3位有效数字。
解 Gauss Siedel迭代格式为
x (k 1) 1
x (k 1) 2
(2 x2(k) ) / 3 (1 x1(k1) ) / 2
,
k
0,1,
2,L
取x1(0)
0,
x (0) 2
0, 计算结果如下:
0
101
0
1
10
2
1 0 0 101 1 1 5
0 0.1 0.2 0.1 0 0.2
0.2 0.2 0
取初值x (0) (0,0,0)T 代入迭代式
x(1) Bx (0) g (7.2,8.3,8.4)T x(2) Bx(1) g (9.17,10.70,11.50)T ,如此下去, x(9) Bx (1) g (10.9994 ,11.9994 ,12.9992 )T
第6章 解线性方程组的迭代法
有 lim || Ak x || 0.所以就有定理的右边成 立。
k
反之,若定理的右边成 立,取x为第j个坐标向量e j, 则 lim Ak e j 0, 表示Ak的第j列元素极限均为零,当
k
j 1,2, , n时就证明了lim Ak 0,证毕。
k
给出的迭代法
( ( x1( k 1) (3x2k ) 2 x3k ) 20) / 8 ( k 1) (k ) (k ) x2 (4 x1 x3 33) / 11 的收敛性。 ( ( x3k 1) (6 x1( k ) 3x2k ) 36) / 12
第6章
解线性代数方程组的迭代法
§1 引言
考虑线性方程组
a11x1 a12 x2 a1n xn b1 a x a x a x b 21 1 22 2 2n n 2 an1x1 an2 x2 ann xn bn
(1.4)
即
x(k+1)=B0x(k)+f, (k=0,1,2,„)
x (10 ) (3.0000321.999838 0.9998813T , , , ) ε
(10 )
0.000187其中ε ,
(k )
(10 )
x
(10 )
x *.
从此例可以看出,由迭 代法产生的向量 序列x 逐步逼近此方程的精确 解。
3 8
0
3 12
2 8 1 11 0
20 x1 8 x 33 . 2 11 x3 36 12
任取初值,如x(0)=(0,0,0)T,代入(1.3)得到x(1)= (2.5,3,3)T. 反复迭代
数值分析第三章线性方程组的迭代法课件
§ 3.3.2 Gauss—Seidel 迭代法的矩阵表示
将A分裂成A =D+L+U,则Ax b 等价于
(D+L+U )x = b
于是,则高斯—塞德尔迭代过程
Dx(k1) Lx(k1) Ux(k) b
因为 D 0 ,所以 D L D 0
故
(D L)x(k1) Ux(k) b
x(k1) (D L)1Ux(k) (D L)1b
e(k) x(k) x* Gx(k1) d (Gx* d) G(x(k1) x* ) Ge(k1)
于是 e(k) Ge(k1) G 2e(k2) Gk e(0)
由于 e (0)可以是任意向量,故 e(k) 收敛于0当且仅
故 (D L)x(k1) (1)D U x(k) b
显然对任何一个ω值,(D+ωL)非奇异, (因为假设 aii 0,i 1,2,, n )于是超松弛迭代公式为
x(k1) (D L)1 (1)D U x(k) (D L)1b
令 L (D L)1 (1)D U
f (D L)1b
则超松弛迭代 公式可写成
称为雅可比迭代公式, B称为雅可比迭代矩阵
雅可比迭代矩阵表示法,主要是用来讨论其收敛 性,实际计算中,要用雅可比迭代法公式的分量 形式。即
x1(k 1)
1 a11
(a12 x2(k )
a13 x3(k )
a1n xn(k )
b1 )
x2(k 1)
1 a 22
(a21 x1(k )
a23 x3(k )
§ 3.4.2超松弛迭代法的矩阵表示 设线性方程组 Ax=b 的系数矩阵A非奇异,且主对角
元素 aii 0(i 1,2,, n) , 则将A分裂成
经济学解线性方程组的迭代法
a22
0 a21
0
ann
an1,1
an1
an1,2 an 2
0
an,n1
0
0 a12
0
a1,n1 a2,n1
0
a1n
a2n
DLU.
an1,n
0
(2.4)
13
6.2.1 雅可比迭代法
由 aii 0(i ,1,选2,取 ,为n) 的对角M元素A部分, 即选取 M (对D角阵), A ,D N 由(2.3)式得到 解 Ax 的b雅可比(Jacobi)
,
再将 x(分1) 量代入(1.3)式右边得到 ,x反(2)复利用这个计 算程序,得到一向量序列和一般的计算公式(迭代公式)
x1(0)
x(0) x2(0) ,
x3(0)
x1(1)
x1(k )
x(1) x2(1) , , x(k ) x2(k ) ,
x3(1)
x3( k
迭代法产生的向量序列 x(k不) 一定都能逐步逼近方程组
的解 x.*
如对方程组
x1 2x2 x2 3x1
5, 5.
7
构造迭代法
x ( k 1) 1
x ( k 1) 2
2 x2(k 3x1(k
) )
5, 5.
则对任何的初始向量,得到的序列都不收敛.
对于给定方程组 x ,Bx f 设有唯一解 x*, 则
由雅可比迭代公式(2.5), 有
Dx(k1) (L U )x(k ) b,
或
i1
n
aii xi(k1)
)
5
x ( k 1) 1
(3x2(k )
2x3(k )
20)/8,
数值计算_第4章 解线性方程组的迭代法
如果用高斯-赛德尔迭代法 迭代72次得:
用SOR迭代法 ,只须迭代25次即得:
逐次超松弛迭代算法
下列算法假定迭代矩阵收敛,否则要在WHILE循环中增加判断条件。
1.定义和输入系数矩阵 与常数项向量 的元素,输入松弛因子 的值。
2.FOR i:=1,2,…,n
//假定 ,形成常数项向量
FOR
当方程组的系数矩阵 具有某些性质时,可直接判定由它生成的雅可比迭代矩阵是收敛的。
定理4.3若方程组 的系数矩阵 ,满足下列条件之一,则其雅可比迭代法是收敛的。
(1) 为行对角占优阵,即
(2) 为列对角占优阵,即
证明:(1)雅可比迭代矩阵 其中
(2) 为列对角优阵,故 为行对角占优阵,由系数矩阵 构造的迭代矩阵 为行对角占优阵,则有
通常,把 的迭代称为亚松弛迭代,把 的迭代称为高斯-塞德尔迭代,而把 的迭代称为松弛迭代。
4.4
在线性代数中逆矩阵是按其伴随矩阵定义的,若 则方阵 可逆,且 ,其中 为 的伴随矩阵。要计算 个 阶的列式才能得到一个伴随矩阵,在数值计算中因其计算工作量大而不被采用。通常对 做行的初等的效换,在将 化成 的过程中得到 。在数值计算中,这仍然是一种行之有效的方法。
事实上,在计算 前,已经得到 的值,不妨将已算出的分量直接代入迭代式中,及时使用最新计算出的分量值。因此 的计算公式可改为:
即用向量 计算出 的值,用向量 计算出 的值 ,用向量 计算出 的值,这种迭代格式称为高斯—塞德尔迭代。
对于方程组AX=y,如果由它构造高斯-塞德尔迭代和雅可比迭代都收敛,那么,多数情况下高斯—塞德尔迭代比雅可比迭代的收敛效果要好,但是情况并非总是如此。
又
得到
而 ,
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/* iteration methods for the solution of linear systems */
Linear systems: :
a11 x1 + a12 x 2 + L + a1n x n = b1 a x + a x + L + a x = b 21 1 22 2 2n n 2 L a n1 x1 + a n 2 x2 + L + a nn xn = bn
A = D + A − D ⇒ x = ( I − D−1 A) x + D−1b = x + D−1 (b − Ax) ( aii ≠ 0) A = L + D + U ⇒ x = −D−1 ( L + U ) x + D−1b ( aii ≠ 0)
迭代法思想: 第一步 第二步
将Ax = b转化为等价方程组:x = Bx + f 设x *为精确解,x* = Bx * + f
计算公式
1 b ( k +1) (k (k (k x1 =− a12 x 2 ) + a13 x3 ) + ... + a1n x n ) + 1 a11 a11 1 b2 ( k +1) (k ) (k ) (k ) =− + a 21 x1 + a 23 x3 + ... + a 2 n x n + x2 a 22 a 22 ... bn 1 ( k +1) (k ) (k ) (k ) =− a n1 x1 + a n 2 x 2 + ... + a nn −1 xn −1 + xn a nn a nn
x ( 2 ) = (5,−3,−3)T , x ( 2 ) − x (1)
x (3) = (1,1,1)T , x ( 3) − x ( 2 ) x ( 4 ) = (1,1,1)T , x ( 4 ) − x ( 4 )
∞ ∞
=5
∞
=8
=4 =0
所以x* = x ( 4 ) = (1,1,1)T
x(k), k=0,1,2,… hopefully, limx(k)=x*
Ax=b A x*=b
x(k+1)=f(x( k ))
x(0)
怎样设计迭代格 式? Ax=b x=Bx+f
等价变换
迭代矩 阵
x(k+1)=B x(k) +f
B 并不是 唯一的, 因 此迭代格 式也不是 唯一的!
e.g. A = I + A − I ⇒ x = ( I + A) x − b
计算中判断迭代终止条件的方法:
|| x ( k +1) − x ( k ) ||< ε , x* ≈ x ( k +1)
6.2基本迭代法
A = M − N , M非奇异,称为分裂矩阵 则Ax = b ⇔ ( M − N ) x = b ⇔ Mx = Nx + b ⇔ x = M −1 ( Nx + b) 令B = M −1 N , f = M −1b即可得等价方程组。
b a ij x (jk ) + i , ∑ j = i +1 a ii
n
i = 1, 2, ..., n
comparison
Jacobi iteration 计算x(k+1)时需要x(k)的 所有分量,因此需开 两组存储单元分别存 放x(k)和x(k+1)
Gauss-Seidel iteration 计算xi(k+1)时只需要x(k) 的i+1~n个分量,因 此x(k+1)的前i个分量可 存贮在x(k)的前i个分 量所占的存储单元, 无需开两组存储单元
构造迭代格式,任取初始向量x ( 0) , 按逐次代 B 与k无关,称为
一阶定常迭代法 入方法构造{x ( k ) } 收敛?发散?
x ( k +1) = Bx ( k ) + f
若 lim x ( k ) = x*, 则称迭代法收敛,且x * 为方程的解。
k →∞
否则此迭代法发散。
判断收敛的方法:
How to check if a certain iteration system converges or not?
Conditions of convergence
Not flexible to use actually
1. lim x k = x * ⇔ lim B k = 0
k →∞ k →∞
(
)()() Nhomakorabeaor
xi
( k +1 )
1 =− a ii
j =1, j ≠ i
∑
n
a ij x j
(k )
bi , + a ii
i = 1, 2,..., n
上面例对应的分量形式为 x ( 0) = (0,0,0)T (k ) ( ( x1 = (1 − 2 x2k ) + 2 x3k ) ) / 1 (k ) ( x2 = (3 − x1( k ) − x3k ) ) / 1 ( ( x3k ) = (5 − 2 x1( k ) − 2 x2k ) ) / 1
x ( k +1) 0 −2 2 1 (k ) = − 1 0 − 1 x + 3 , k = 0,1,... − 2 − 2 0 5
∞
x ( 0 ) = (0,0,0)T , x (1) = (1,3,5)T , x (1) − x ( 0 )
选不同的M , 则可得不同的迭代法。
L
a11 a A = 21 an1 a12 L a22 L L L an2 L
D
U
0 0 a12 a13 L a1n a1n a11 a21 0 0 a23 L a2n a2n a22 = a a + + 0 M 0 M 31 32 O M M M O O an−1n ann ann a a a L 0 0 n1 n2 n3
xi
( k +1)
n 1 i −1 (k ) ( k ) bi = − ∑ aij x j + ∑ aij x j + , i = 1, 2,..., n aii j =1 j =i +1 aii
Component form
xi
( k +1)
1 i −1 ( k +1) =− + ∑ a ij x j a ii j =1
Jacobi iteration
取M为D
Matrix form
x ( k +1) = Bx ( k ) + f = − D −1 ( L + U ) x ( k ) + D −1b
x ( 0 ),初始向量
Jacobi迭代法简单,迭代一次只需作 一次矩阵与向量的乘
法即可。
x1 + 2 x2 − 2 x3 = 1 例: x1 + x2 + x3 = 3 ,取初始向量x ( 0 ) = (0,0,0)T , 2 x + 2 x + x = 5 2 3 1 写出Jacobi的矩阵迭代形式并求解。
x ( 0 ) = (0,0,0)T x (1) = (1,3,5)T x ( 2 ) = (5,−3,−3)T
Convenient in programming
( k +1)
k +1)
xi
= xi
(k )
1 + aii
n (k ) bi − ∑ aij x j , i = 1, 2,..., n j =1
Convergence of iteration
Error vector of iteration
B →0
k
Convergence of matrix
{
( A( k ) = aijk ) ∈ R n×n | k ∈ Z
( )
2
}
A = ( aij ) ∈ R n×n
example
10 −2 −1 x1 3 −2 10 −1x = 15 2 −1 −2 5 x3 10
( D + L) −1 难求 原式 ⇔ ( D + L) x ( k +1) = −Ux ( k ) + b ⇔ Dx ( k +1) = − Lx ( k +1) − Ux ( k ) + b
Gauss-Seidel iteration
( k +1)
Jacobi分量形式
xi
1 n ( k ) bi = − ∑ aij x j + , i = 1, 2,..., n aii j =1, j ≠i aii
x = (1
*
3)
t
Jacobi iteration
1 .9 9 9 8 1 .9 9 9 9 2 .9 9 9 8 )
t
x( x(
9) 5)
= ( 0 .9 9 9 8 = ( 0 .9 9 9 7
G-S iteration
t
2 .9 9 9 9 )
In this example, G-S iteration converges faster than Jacobi iteration. It’s not always true. Sometimes the later converges faster. For some linear systems, G-S converges while J diverges, and vice versa.