第五章作业

5.1 复习与思考题

5.1.1 高斯消去法选主元的原因

 

5.1.2 高斯消去法与 LU 分解的关系

  1. 高斯消去法与 LU 分解的关系

    1. 先不考虑选主元的方法,实际上将方程组 Ax=b 变化为 L−1Ax=L−1b,其中 L−1 为单位下三角矩阵,L−1A 为上三角矩阵. 从另一个角度去看,即把矩阵唯一分解为了 A=LU.

    2. 对于选主元的高斯消去法与 LU 分解,行变换可看为左乘置换矩阵,即 PA=LU.

  2. 解线性方程组的不同点

    1. 高斯消去法同时处理 A 和 b,而 LU 分解先分解 A=LU,再计算 U−1L−1b.

    2. LU 分解并没有直接减少计算量,但求解多个线性方程组时,可以反复利用分解结果,从而简化计算. 并且需要的存储空间较小.

  3. A 需要非奇异.

 

5.1.3 Cholesky 分解的优点

对称正定矩阵可使用 Cholesky 分解,它具有如下优点:

  1. 数值稳定.

  2. 计算量小.

  3. 存储量小.

 

5.1.4 平方根求解的条件与性能

  1. 系数矩阵对称正定时可用平方根法求解.

  2. 分解过程中 ljk 的数量级不会增长,并且对家元素恒为正数,因此数值稳定.

 

5.1.5 追赶法求解的条件与性能

  1. 对角占优的三对角矩阵可用追赶法求解.

  2. 追赶法的计算过程中元素数量级与舍入误差不会发生巨大增长,因此数值稳定.

 

5.1.6 向量范数与常用的向量范数

  1. 向量范数的定义

    1. 非负性:‖x‖≥0 当且仅当 x=0 时取等.

    2. 齐次性:∀α∈C:‖αx‖=|α|⋅‖x‖.

    3. 三角不等式:‖x1+x2‖≤‖x1‖+‖x2‖.

  2. 常用的向量范数

    1. p−范数:‖x‖p=(∑i=1n|xi|p)1p,p≥1.

    2. 1−范数:‖x‖1=∑i=1n|xi|.

    3. 2−范数:‖x‖2=(x,x).(欧氏范数)

    4. ∞−范数:‖x‖∞=max1≤i≤n|xi|.(最大范数)

    5. 加权范数:‖x‖W=‖Wx‖,W∈Rn×n.

 

5.1.7 矩阵范数与算子范数

  1. 矩阵范数的定义

    1. 正定条件:‖A‖≥0 当且仅当 A=0 时取等.

    2. 齐次条件:∀c∈R:‖cA‖=|c|⋅‖A‖.

    3. 三角不等式:‖A+B‖≤‖A‖+‖B‖.

    4. 矩阵相容性:‖AB‖≤‖A‖⋅‖B‖.

  2. 算子范数:‖A‖v=maxx≠0‖Ax‖v‖x‖v.

    1. 算子范数是矩阵范数

    2. 算子范数满足向量相容性:∀x∈Rn,∀A∈Rn×n:‖Ax‖≤‖A‖⋅‖x‖.

  3. 常用的范数

    1. 1−范数(列范数)‖A‖1=max1≤j≤n∑i=1n|aij|.

    2. 2−范数(谱范数)‖A‖2=λmax(ATA).

    3. ∞−范数(行范数)‖A‖∞=max1≤i≤n∑j=1n|aij|.

列范数和行范数容易计算.

 

5.1.8 矩阵的条件数与方程组的病态性

  1. 非奇异矩阵 A 的条件数 cond(A)v=‖A−1‖v‖A‖v.

  2. 若条件数 cond(A)v≫1,则线性方程组是病态的.

备注

 

5.1.9 矩阵奇异性的判断

  1. 可以,行列式为零则矩阵奇异.

  2. 可以,|λ(A)|≤ρ(A)≤‖A‖.

  3. 不可以,只能说明特征值的范围广,而特征值不一定小.

  4. 不可以,条件数用于判断稳定性;特征值很大时条件数可能较小.

  5. 不可以,例如一个非奇异矩阵,缩放之后绝对值即可变小.

 

5.1.10 一些命题

  1. ×,可能出现除数为零或接近于零的情况.

  2. ×,对称正定只能保证特征值为正,条件数仍可能较大.

  3. √,计算即得.

  4. ×,唯一.

  5. ×,如 (0110),主对角线元素全为零,但是矩阵非奇异,实际上还是正交矩阵.

  6. √,这是范数的定义之一(正定条件).

  7. ×,范数为零等价于为零矩阵.

  8. √,由计算公式即得.

  9. ×,如 (0110) 是良态的,但是不选主元则除数为零.

  10. ×,矩阵病态是问题固有的,与算法无关.

  11. √,由计算公式即得.

  12. √,由定义即得.

 

5.2 习题

5.2.1 高斯消去法 - 对称矩阵的性质

aij(2)=aij−ai1a11a1j,aji(2)=aji−aj1a11a1i.

上二式相等,故 A2 是对称矩阵.


5.2.2 高斯消去法 - 对称正定矩阵的性质

  1. 由正定矩阵的定义:∀x≠0:(Ax,x)>0,于是 aii=(Aei,ei)>0.

    备注:更直观的,(Ax,x)=∑i,jaijxixj,而 ei 只有一项非零,即为 aii.

  2. 对称正定矩阵

    1. 列高斯消去法得 [a1100A2]=L1AL1T,

    2. 由于 L1 非奇异,∀x≠0:L1Tx≠0.

    3. 由 A 的正定性,∀x≠0:(x,L1AL1Tx)=(L1Tx,AL1Tx)>0.

    4. 故 L1AL1T 正定,而 a11>0,从而 A2 也是正定的.


5.2.3 初等置换矩阵与初等下三角矩阵

展开即得.


5.2.4 Crout 分解的计算公式

Crout 分解的结果为:

A=LU=[l11l21l22⋮⋮⋱ln1ln2⋯lnn][1u12⋯u1n1⋯u2n⋱⋮1],

于是

{li1=ai1,i=1,2,⋯,n,u1j=a1j/l11,i=2,3,⋯,n.
{lij=aij−∑k=1j−1likukj,i=j,j+1,⋯,n,uij=(aij−∑k=1i−1likukj)/lii,j=i+1,i+2,⋯,n,i≠n.

5.2.5 三角矩阵的计算公式

  1. 求解公式

    1. 上三角矩阵:依次计算 i=n,n−1,⋯,1.

      xi=(di−∑j=i+1nuijxj)/uii.
    2. 下三角矩阵:依次计算 i=1,2,⋯,n.

      xi=(di−∑j=1i−1uijxj)/uii.
  2. 乘除法次数

    1. 乘法次数:0+1+2+⋯+(n−1)=n(n−1)2,O(n2).

    2. 除法次数:n.

    3. 加减次数:n(n+1)2,O(n2).

  3. 逆矩阵求解公式:设 A=U−1,则 A 亦为上三角矩阵.

    {aii=1uii,i=1,2,⋯,n,aij=−∑k=i+1juikskjuii,j=i+1,i+2,⋯,n,i=n−1,n−2,⋯,1.

5.2.6 对称正定矩阵的性质

  1. 若 A 是对称正定矩阵,则 A−1 也是对称正定矩阵.

证明

将 A 转化为标准型,可可知其特征值均大于零,于是 A 非奇异.

A−1=(AT)−1=(A−1)T.

故 A−1 对称. 若 Aξ=λξ,则 A−1ξ=λ−1ξ,于是 A−1 正定. 证毕.


  1. 若 A 是对称正定矩阵,则可唯一地写为 A=LTL.

证明

首先可分解为 A=L′DU,由对称性,L′DU=UTDL′T,由分解的唯一性,L′=UT,从而 A=L′DL′T.

由正定性,d1=D1>0,di=Di/Di−1>0,从而 D 的各元素大于零,从而可以分解为 A=(L′D12)(L′D12)T=LTL. 证毕.


5.2.7 列主元消去法

[12−3315−183−1−151116]→r1↔r2[−183−1−1512−33151116]m21=−23m31=−118→[−183−1−150−17350761718316]m32=−76→[−183−1−150−17350011311]

从而 det⁡(A)=−66,并且

{x1=1,x2=2,x3=3.

备注 小猪头(指我)别忘了 r1↔r2 会改变正负.


5.2.8 Doolittle 分解

直接三角分解 - Doolittle 分解.

A=LU=[1415161314151212]=[10043102−361][1415160−160−145001315]

于是先求解 Ly=b,再求解 Ux=y,有

{y1=9,y2=−4,y3=−154.⇒{x1=−295213≈−227.077,x2=620013≈476.923,x3=−231013≈−177.692.

5.2.9 追赶法

首先注意到 A 符合追赶法的要求.

由

{γi=ai=−1,αi=bi−aiβi−1=2+βi−1,i=2,3,⋯,nβi=ci/(bi−aiβi−1)=−1/αi,i=2,3,⋯,n,

有

α1=2,α2=32,α3=43,α4=54,α5=65.β1=−12,β2=−23,β3=−34,β4=−45.

从而

[2−1−12−1−12−1−12−1−12]=[2−132−143−154−165][1−121−231−341−451],

于是

{y1=12,y2=13,y3=14,y4=15,y5=16.⇒{x1=56,x2=23,x3=12,x4=13,x5=16.

备注 若用计算机计算,则可以使用书中的方法,以减少内存占用.


5.2.10 改进的平方根法

[2−11−1−23131]=[1−12112−751][2−11−5272275]=[1−12112−751][2−52275][1−12121−751],

依次计算 Ly=b,DLTx=y,有

{y1=4,y2=7,y3=695.⇒{y1′=2,y2′=−145,y3′=239.⇒{x1=109,x2=79,x3=239.

备注 对称正定矩阵可分解为 A=LDLT,可利用该性质简化计算.


5.2.11 LU 分解的条件

  1. D2(A)=0,故不能分解.

    det⁡(A)=−10,若交换 r1↔r3,则可以分解且分解唯一.

  2. D2(B)=0,det⁡(B)=0,故不能分解,任意交换行也无法分解.

  3. D2(C)=1,det⁡(C)=1,故可唯一分解.

C=[121631][126131].

5.2.12 矩阵范数的计算

  1. 行范数即 ∞−范数:‖A‖∞=1.1.

  2. 列范数即 1−范数:‖A‖1=0.8.

  3. 2−范数即谱范数:

    ATA=(0.60.10.50.3)(0.60.50.10.3)=(0.370.330.330.34)‖A‖2=λmax(ATA)=0.355+0.3552−0.37∗0.34+0.332=0.827853.
  4. F−范数:‖A‖F=(∑i,jaij2)12=0.842615.

备注 对于 A=(abcd),有

{m=a+d2=λ1+λ22,p=ad−bc=λ1λ2.⇒λ1,2=m±m2−p.

5.2.13 范数的大小关系

  1. ‖x‖∞≤‖x‖1≤n‖x‖∞.

证明 max1≤i≤n|xi|≤∑i=1n|xi|≤nmax1≤i≤n|xi|,证毕.

  1. 1n‖A‖F≤‖A‖2≤‖A‖F.

证明 1n∑i=1nλi≤max1≤i≤nλi≤∑i=1nλi,证毕.


5.2.14 向量的加权范数

注意 P∈Rn×n 非奇异,

  1. 正定条件:‖x‖P=0⇔‖Px‖=0⇔Px=0⇔x=0.

  2. 齐次条件:∀c∈R:‖cx‖P=‖cPx‖=c‖Px‖=c‖x‖P.

  3. 三角不等式:‖x1+x2‖P=‖Px1+Px2‖≤‖x1‖P+‖x2‖P.

证毕.


5.2.15 由内积定义的向量范数

  1. 正定条件:‖x‖A=0⇔(Ax,x)=0⇔x=0.

  2. 齐次条件:∀c∈R:‖cx‖A=(cAx,cx)12=c‖x‖A.

  3. 三角不等式:

‖x1+x2‖A=(x1+x2)TLLT(x1+x2)=(LT(x1+x2))TLT(x1+x2)=‖LT(x1+x2)‖2≤‖LTx1‖+‖LTx2‖=‖x1‖A+‖x2‖A.

5.2.16 逆矩阵的无穷范数

证明

‖A−1‖∞=maxx≠0‖A−1x‖∞‖x‖∞⇒1‖A−1‖∞=minx≠0‖x‖∞‖A−1x‖∞=y:=A−1xminy≠0‖Ay‖∞‖y‖∞.

证毕.


5.2.17 无穷条件数

‖A‖∞={3|λ|,|λ|≥23,2,|λ|<23.A−1=1λ(1−λ−12λ),‖A−1‖∞=2|λ|+1|λ|.cond(A)∞={6|λ|+3,|λ|≥23,4+2|λ|,|λ|<23.

于是在 |λ|=23 处取到最小值.


5.2.18 条件数的计算

  1. 无穷条件数:cond(A)∞=1992=39601.

  2. 谱条件数:注意到 A 是对称矩阵,有

    cond(A)2=λmax(ATA)λmin(AAT)=λmax(A2)λmin(A2)=|λmaxλmin|=|99+992−9800+99299−992−9800+992|≈39206.

5.2.19 正交矩阵的谱条件数

证明 由 ATA=E 即得.


5.2.20 矩阵乘积的条件数

cond(AB)=‖AB‖⋅‖B−1A−1‖≤‖A‖‖B‖‖B−1‖‖A−1‖=cond(A)cond(B).

证明.


5.2.21 谱条件数的性质

设 A∈Rn×n 非奇异,则

  1. ATA 为对称正定矩阵.

  2. cond(A)2=cond(ATA)2.

证明

  1. 对称性:(ATA)T=ATA.

  2. 正定性:∀x≠0:xTATAx=(Ax,Ax)≥0.

  3. cond(ATA)2=λmax((ATA)2)λmin((ATA)2)=λmax(ATA)2λmin(ATA)2=cond(A)22.

证毕.