5.1 预备知识5.1.1 特征值与特征向量5.1.2 常见的特殊矩阵5.1.3 矩阵的常用定理5.2 高斯消去法5.2.1 高斯消去法5.2.2 矩阵的三角分解5.2.3 三角矩阵的求解5.3 矩阵三角分解法5.3.1 直接三角分解5.3.2 平方根法5.3.3 追赶法5.4 向量和矩阵的范数5.4.1 向量范数5.4.2 矩阵范数5.4.3 范数杂项5.5 误差分析5.5.1 矩阵的性态5.5.2 矩阵条件数5.5.3 迭代改善法
矩阵
谱
谱半径
特征多项式
特征方程
特征值与特征向量的性质
若
若
相似矩阵
哈密顿-凯莱定理:
二者是对称矩阵.
二者的特征值相等,且非负.
二者的
对角
对角矩阵:
三对角矩阵:
上三角
上三角矩阵:
单位上三角矩阵:
严格上三角矩阵:
上海森伯格阵:
对称
对称矩阵:
埃尔米特矩阵:
对称正定矩阵:
性质 1:
性质 2:
其他
正交矩阵:
酉矩阵:
初等置换阵、置换阵.
定理 1:矩阵
定理 2:设
顺序主子阵
定理 3:对称阵
定理 4:若尔当标准型
若尔当块:
若尔当标准型:
若
定理 5 设
若
消元计算:
回代计算:求解
若
备注 加减和乘除的次数均为
定理 6 约化的主元素非零的充要条件是
推论 若
定理 7(LU 分解) 若
备注 有三种分解方式:
Doolittle 分解
Crout 分解
LDU 分解
算法 1(列主元消去法)
定理 8(列主元的 LU 分解) 若
上三角矩阵:依次计算
下三角矩阵:依次计算
乘除法次数
乘法次数:
除法次数:
加减次数:
逆矩阵求解公式:设
思路
将
将
先求出
算法 1:不选主元的三角分解
单位下三角:杜利特尔(Doolittle)分解
单位上三角:克劳特(Crout)分解
算法 2:选主元的三角分解法
单位下三角:由于
单位上三角
算法 2‘:求逆矩阵,
分解为
计算
计算
计算
定理 9 若
定理 10
平方根法 利用楚列斯基分解求解对称正定方程组
求解
求解
求解
改进的平方根法 为避免开方,分解为
问题
并且
分析 如下分解
于是
归纳可证,对于
算法
求解
求解
求解
列向量
若为实数:
若为复数:
数量积的性质(
柯西·施瓦茨不等式:
向量的范数
定义 1(非负性)
定义 2(齐次性)
定义 3(三角不等式)
性质:
常用的范数
加权范数:
收敛
依绝对值收敛
依范数收敛
依概率收敛
向量范数的性质
向量范数的等价性:
向量收敛等价条件:
方阵的范数(模)
正定条件:
齐次条件:
三角不等式:
矩阵相容性:
相容性:
方阵的算子范数(从属范数)
对于向量范数
定义算子范数
于是算子范数是范数,且满足相容性.
常用的算子范数
注:以下是定理,而非定义.
另外,我不喜欢 “列范数” 和 “行范数” 这两个名字.
范数即对第 1 维求和(即每一行相加,或同一列中所有元素相加)后寻找最大值.
范数即对第 2 维求和(即每一列相加,或同一行中所有元素相加)后寻找最大值.
正交
正交矩阵:
正交变换:
条件一:
条件二:夹角不变.
谱范数和 F 范数在正交变换下保持不变.
矩阵范数的定理
对于
对于对称阵:
矩阵序列的敛散性.
若
不那么重要(但同样有趣)的例子与性质.
范数的大小关系
其他的向量范数
若
若
作分解
若
线性方程组
只考虑
只考虑
同时考虑
非奇异矩阵
当
当
常用的条件数
无穷条件数:
谱条件数:
谱条件数的性质
对称阵的谱条件数:
正交矩阵的谱条件数:
若
一般的条件数的性质
(常见矩阵的条件数)
病态矩阵的判断
若使用主元素消去法时出现了小主元,则一般为病态.
若矩阵的行列式较小(某些行近似线性相关),则可能为病态.
若矩阵元素间数量积相差很大且无规则,则可能为病态.
病态矩阵的求解
选主元的消去法
采用高精度(双倍字长)
预处理:将
当矩阵的元素大小不均时,对行引进比例因子,使得所有行按
事后误差估计:对于非奇异矩阵
求近似解
选主元三角分解:
求解
迭代:
求解
如果
如果矩阵非常病态,则上述算法仍可能不收敛.