Смекни!
smekni.com

Розробка алгоритму та програми чисельного розвязку систем лінійних алгебраїчних рівнянь з розрідженою (стр. 3 из 9)

у яких матриця А симетрична, тобто АТ, aij=aji (i=j=1,...,n).

Розв’язок системи (1.18) здійснюється у два етапи.

Прямий хід. Перетворення матриці А і представлення її у вигляді добутку двох взаємно транспонованих трикутних матриць:

де

Перемножуючи SТ і S, і дорівнюючи матриці А, одержимо наступні формули для визначення sij:



Після знаходження матриці S систему (1.18) заміняємо двома їй еквівалентними системами з трикутними матрицями (1.19):

Зворотній хід. Записуємо системи (1.21) у розгорнутому виді:

Використовуючи (1.22) і (1.23) послідовно знаходимо:

1.1.6 Метод прогону

Для розв’язку систем виду

або, що те ж саме,

використовується метод прогону, заснований на припущенні, що шукані невідомі зв'язані рекурентним співвідношенням:

де i=1,…,n-1.

Використовуючи це співвідношення, виразимо xi-1і xiчерез xi+1і підставимо в рівняння (1.26):

де Fi – права частина i-го рівняння. Це співвідношення буде виконуватися незалежно від розв’язку, якщо зажадати

Звідси випливає:


З першого рівняння одержимо:

Після знаходження прогоночних коефіцієнтів α і β, використовуючи рівняння (1.27), одержимо розв’язок системи. При цьому

1.1.7 Матричний метод

Матричний метод розв’язку систем лінійних алгебраїчних рівнянь з ненульовим визначником полягає в наступному.

Нехай дана система n лінійних рівнянь з n невідомими (над довільним полем):


Тоді її можна переписати в матричній формі:

, де A– основна матриця системи,
і
– стовпці вільних членів і рішень системи відповідно:

Помножимо це матричне рівняння ліворуч на A-1– матрицю, зворотню до матриці A:

Оскільки A−1A=E (враховуючи асоциативність матричного добутку), одержуємо

. Права частина цього рівняння дасть стовпець рішень вихідної системи. Умовою застосовності даного методу (як і взагалі існування розв’язку неоднорідної системи лінійних рівнянь із числом рівнянь, рівним числу невідомих) є невирідженість матриці A. Необхідною і достатньою умовою цього є нерівність нулю визначника матриці A: detA≠0.

Для однорідної системи лінійних рівнянь, тобто коли

, дійсно зворотнє правило: система
має нетривіальний (тобто ненульовий) розв’язок тільки якщо det A=0. Такий зв'язок між рішеннями однорідних і неоднорідних систем лінійних рівнянь зветься альтернативою Фредгольма.

До прямих методів, що використовують властивість розрідженості матриці, можна віднести: алгоритм мінімального ступеня, алгоритм мінімального дефіциту, деревовидна блокова розбивка для асиметричного розкладання, методи вкладених або паралельних перетинів і ін.


1.2 Ітераційні методи розв’язку СЛАР

Наближені методи розв’язку систем лінійних рівнянь дозволяють одержувати значення коренів системи із заданою точністю у вигляді границі послідовності деяких векторів. Процес побудови такої послідовності називається ітераційним (повторюваним).

Ефективність застосування наближених методів залежить від вибору початкового вектора і швидкості збіжності процесу.

1.2.1 Метод простих ітерацій

Нехай дана система n лінійних рівнянь з n невідомими:

. Припускаючи, що діагональні елементи aii≠0 (i=1,...,n), виразимо x1 через перше рівняння системи, x2 – через друге рівняння і т.д. У результаті одержимо систему:

Позначимо bi/aiji-aij/aiiij, де i,j=1,...,n. Тоді система запишеться, таким чином, у матричній формі: xx. Розв'яжемо цю систему методом простих ітерацій. За нульове наближення приймемо стовпець вільних членів. Кожне (k+1)-е наближення обчислюють по формулі:


Якщо послідовність наближень x(0),...,x(k) має границю

, то ця границя є розв’язком системи, оскільки в силу властивості границі
, тобто x=β+αx [4,6].

1.2.2 Метод Зейделя

Метод Зейделя являє собою модифікацію методу простих ітерацій.

Нехай дана СЛАР, приведена до нормального вигляду: x=β+αx. Вибираємо довільно початкові наближення невідомих і підставляємо в перше рівняння системи. Отримане перше наближення підставляємо в друге рівняння системи і так далі до останнього рівняння. Аналогічно будуємо другі, треті і т.д. ітерації.

Таким чином, припускаючи, що k-і наближення

відомі, методом Зейделя будуємо (k+1)-і наближення по наступних формулах: