引言 Intro
线性系统 Linear System
首先介绍一下线性系统 Linear System
或等价的矩阵,就是
克拉默法则 Cramer Rule
A 是 方阵。若,则 有唯一解。
其中 是把 的 第 列换成 得到的矩阵。
不会有人忘了怎么算行列式(det)吧?往右下方向乘积之和减去往左下方向乘积之和
对于一个的行列式,
对于一个的行列式,
则根据克拉默法则可得
高斯消元法 Gaussian Elimination
定义
高斯消元的目标,就是把一般的 化成下面三种之一
- 对角系统
,
- 下三角
,
- 上三角
,
增广矩阵 Augmented matrix
把 和 拼成 ,消元时 跟着一起变。
例如
的增广矩阵为
回代得
回代得
回代得
LU 分解
定义
LU 就是把消元过程写成 。这里 对角线为 1(单位下三角), 是消完后的上三角:
例题:求 的 LU
要从 还原 ,做逆操作
设
解方程得
构造 L 的规则
Lij(−c) 是单位下三角矩阵,只在 位置放 。左乘它 = 第 行减 倍第 行。
例如 就是 :
逆操作把符号反过来:
把几次消元的初等矩阵乘在一起,乘数会原样堆进同一个
LU 分解
有了 ,解 拆成两步三角方程:
,
另一种写法(强烈建议)
消成 0 的位置不扔掉,改写成乘数,并在外面画圈表示(latex画不了圆圈只能用括号代替一下啦~)
解 分为两步
- 先向前代入 :
- 再回代 :
LU 分解的复杂度(感觉不太重要?)
假设我们有 k 个线性系统 Ax = b1, Ax = b2, · · · , Ax = bk:
但是,不是每个 都能 LU。例如左上角的数是 0。
比较 和 : 且 ,矛盾。所以没有(单位下三角)LU。
从上面我们可知,若 的所有顺序主子式(左上角切 的行列式)都不为 0,则不用换行就能高斯成上三角,从而有 LU。
以下面为例,,因此不能LU
若 是列对角占优(每一列对角元的绝对值不小于该列其余绝对值之和),则部分主元 Partial Pivoting(每一步在当前列往下找绝对值最大的数,把它换到对角线上,避免主元太小)时不必换行。
作业
用 Gauss 消元解
答案:
L,A 都是 。若 相当于:第 1 行减 3 倍第 3 行,第 5 行加 2 倍第 3 行。求 和
答案:
用 LU 解
何时有 LU?
答案:
使用部分主元的高斯消元法来求解
答案:
第一列绝对值最大的在第三行
第二列绝对值最大的在第三行
回代
置换矩阵 Permutation Matrices
置换矩阵是每行每列恰好一个 ,其余全是 的矩阵。等价于把单位矩阵阵做若干次换行。
也可以多次相乘
:置换矩阵的逆,把 的第 行和第 行对调。对调两次等于没换,所以
PA=LU 分解法 Factorization
相比于LU,这个相当于多了带换行的功能,要把换过的行记进
求该矩阵的 PA=LU 分解形式
第 1 列绝对值最大在第 2 行,先换 1、2 行
第 2 列从对角线往下比,绝对值最大在第 3 行,换 2、3 行;
全部换行合在一起:原矩阵的行顺序变成 ,得到PA = LU
用 解
由于 ,因此我们可得 :
作业
使用PA = LU解线性方程组
使用PA = LU解线性方程组
迭代法 Iterative Methods(应该不重要?)
引言 Intro
迭代方法与不动点迭代类似。它们从初始猜测值开始,然后在每一步中根据迭代规则对该猜测值进行优化。
我们将会介绍两种迭代法:雅可比法 和 高斯-赛德尔法
雅可比法 Jacobi
把 拆成对角 + 严格下三角 + 严格上三角:
由 可得
这样,我们就能写出雅可比迭代公式
高斯-赛德尔法 Gauss-Seidel’s Method
高斯法和雅可比法很像,区别在于高斯法把新的分量也直接算进去了
被称为高斯-赛德尔迭代矩阵
例题
求解下列方程组:,其精确解为
将非对角元素移到右边,再除以对角元素
迭代
左边矩阵是 ,右边向量是 。取 ,10 步后
第一步一样,将非对角元素移到右边,再除以对角元素
算
同理
逐次超松弛法 Successive Over-Relaxatio(SOR)
在高斯-赛德尔法的更新方向上多走(或少走)一步,用来加快收敛。
目标是选最好的 让收敛更快。
- :欠松弛(under-relaxation)
- :超松弛(over-relaxation)
- :退回到高斯-赛德尔法
高斯-赛德尔法本身是:
于是我们可以求出修正量
乘上
新的 是当前值 和高斯-赛德尔的加权平均。
线性迭代法的收敛性
引言 Intro
方阵 的谱半径 spectral radius 是方针特征值的绝对值的最大值。
不会有人忘了什么是特征值吧?求解特征方程 |A − λI|=0 的 λ 即可
若 ,任意,则对任何初值 ,迭代都收敛。存在唯一 使得
严格对角占优 strictly diagonally dominant
每个对角元的绝对值严格大于同行其余绝对值之和
如果 矩阵 A 严格对角占优 ,那么我们可以得到:
- 非奇异;(其对应的行列式值为零且矩阵的秩非满秩)
- 对任意 、任意初值,雅可比和高斯-赛德尔法都收敛到 的唯一解。
收敛条件 Convergent Condition
从前面我们可知,解 时,迭代 是否收敛,可以通过两步看
- A 严格对角占优 雅可比和高斯-赛德尔法都收敛
- ρ(B)<1 则这种迭代收敛,否则不收敛
若某种矩阵范数(PS:没学过线代的我表示又得补课了)满足 ,则收敛,且
卡汉必要条件 Kahan necessary condition
非奇异,若 SOR 对任意初值 都收敛,则必须满足
判断是否严格对角占优:每一行
A:,,,所以是
B:,所以不是
比较 雅可比、高斯-赛德尔法和SOR。(PS:谁想做???)
真解 。三种方法各做 6 步,得到 :
SOR 取 ω=1.1。这题 SOR 最靠近 。该 本身严格对角占优,Jacobi 和 GS 都收敛。
写出 雅可比和高斯-赛德尔法迭代式,并讨论收敛。
作业
用雅可比和高斯-赛德尔法解
答案:
对 证明雅可比和高斯-赛德尔法都收敛。
答案:,,(严格对角线占优)