第六章 解线性方程组的迭代法

6.1 迭代法的基本概念

6.1.1 迭代法的介绍

 

6.1.2 序列的极限

证明

1. limk→∞Ak=0⇔∀x∈Rn:limk→∞Akx=0.

1.1 充分性

若 limk→∞Ak=0,则 limk→∞‖Ak‖=0,从而对于 ∀x∈Rn,

有 limk→∞‖Akx‖≤limk→∞‖Ak‖‖x‖=0,即 limk→∞Akx=0.

1.2 必要性

取 x=ei,即可得到 limk→∞Ak 的第 i 个分量为零. 证毕.

2. limk→∞Bk=0⇔ρ(B)<1⇔∃‖⋅‖c:‖B‖c<1.

2.1 limk→∞Bk=0⇒ρ(B)<1.

若 λ≥1,则 ∃x≠0:Bx=λx,于是 ‖Bkx‖=|λ|k‖x‖≠0,矛盾.

2.2 ρ(B)<1⇒∃‖⋅‖c:‖B‖c<1.

由第 5 章定理 18 即得.

2.3 ∃‖⋅‖c:‖B‖c<1⇒limk→∞Bk=0.

limk→∞‖Bk‖c≤limk→∞‖B‖ck=0.

证毕.

 

6.1.3 迭代法的收敛性

定理 5 一阶定常迭代法收敛 ⇔ρ(B)<1.

证明

  1. 充分性:ρ(B)<1⇒ 迭代法收敛.

由

{x∗=Bx∗+f,x(k)=Bx(k−1)+f,

得

ε(k)=x(k)−x∗=B(x(k−1)−x∗)=Bε(k−1)=Bk(x(0)−x∗).

又 ρ(B)<1,知

limk→∞x(k)=x∗+limk→∞ε(k)=x∗+limk→∞Bk(x(0)−x∗)=x∗.
  1. 必要性:迭代法收敛 ⇒ρ(B)<1.

若 ∀x(0):limk→∞x(k)=x∗,

则 limk→∞ε(k)=limk→∞Bkε(0)=0,

于是 limk→∞Bk=0,从而 ρ(B)<1. 证毕.


定理 6(误差估计) 对于一阶定常迭代法,若存在某种算子范数使得 ‖B‖=q<1,则

  1. 迭代法收敛,即 ∀x(0):(limk→∞x(k)=x∗)∧(x∗=Bx∗+f).

  2. ‖x∗−x(k)‖≤qk‖x∗−x(0)‖.

  3. ‖x∗−x(k)‖≤q1−q‖x(k)−x(k−1)‖.

  4. ‖x∗−x(k)‖≤qk1−q‖x(1)−x(0)‖.

证明

  1. ρ(B)≤‖B‖<1,由定理 5 得证.

  2. ‖x∗−x(k)‖=‖Bk(x∗−x(0))‖≤qk‖x∗−x(0)‖.

  3. ‖x(k+1)−x(k)‖≥‖x∗−x(k)‖−‖x∗−x(k+1)‖≥(1−q)‖x∗−x(k)‖.

    于是 ‖x∗−x(k)‖≤11−q‖x(k+1)−x(k)‖≤q1−q‖x(k)−x(k−1)‖.

  4. 由 x(k+1)−x(k)=B(x(k)−x(k−1)) 和第三点即得.


命题(收敛速度)

  1. ‖Bk‖=sup{‖ε(k)‖/‖ε(0)‖ | ε(0)≠0}.

  2. ∀ε(0):‖ε(k)‖‖ε(0)‖≤σ=10−s⇔k≥sln⁡10−ln⁡‖Bk‖1k.

证明

  1. 上确界

    1. 由 ε(k)=Bkε(0),有 ‖ε(k)‖‖ε(0)‖≤‖Bk‖,

    2. 并且 ‖Bk‖=maxε(0)≠0‖Bkε(0)‖ε(0)=maxε(0)≠0‖ε(k)‖ε(0).

  2. 由 ‖Bk‖≤σ=10−s 即得.


定义(收敛速度) 对于一阶定常迭代法,

  1. 平均收敛速度:Rk(B):=−ln⁡‖Bk‖1k.

  2. 渐进收敛速度:R(B):=−ln⁡ρ(B).

备注

 

6.2 J 迭代法与 GS 迭代法

6.2.1 雅可比迭代法

  1. A 的分解

    1. A=D−L−U.

    2. M:=D,N:=L+U.

  2. Ax=b 的转换

    1. Dx(k+1)=(L+U)x(k)+b.

    2. x(k+1)=D−1(L+U)x(k)+D−1b,k∈N.

    3. J:=D−1(L+U).

 

6.2.2 高斯-塞德尔迭代法

  1. A 的分解

    1. A=D−L−U.

    2. M=D−L,N=U.

  2. Ax=b 的转换

    1. (D−L)x(k+1)=Ux(k)+b,k∈N.

    2. Dx(k+1)=Lx(k+1)+Ux(k)+b,k∈N.

    3. G:=(D−L)−1U.

 

6.2.3 雅可比迭代与高斯-塞德尔迭代收敛性

定理 8(对角占优定理) 严格对角占优矩阵、不可约弱对角占优矩阵,是非奇异矩阵.

证明

1. 严格对角占优矩阵是非奇异矩阵.

若 det⁡(A)=0,则 Ax=0 有非零解 x=(x1,x2,⋯,xn)T,

记 |xk|=max1≤i≤n|xi|,由齐次方程组第 k 个方程 ∑j=1nakjxj=0 有,

|akkxk|=|∑j=1,j≠knakjxj|≤∑j=1,j≠kn|akj||xj|≤|xk|∑j=1,j≠kn|akj|,

从而 |akk|≤∑j=1,j≠kn|akj|,矛盾.

2. 不可约弱对角占优矩阵是非奇异矩阵.

若 det⁡(A)=0,则 Ax=0 有非零解 x=(x1,x2,⋯,xn)T,

2.1 对于弱对角占优矩阵,如下定义集合,并证明集合非空.

J:={k∣(∀i:|xk|≥|xi|)∧(∃j:|xk|>|xj|)},

若 J 为空,则 |x1|=|x2|=⋯=|xn|,

于是对于 ∀i,由 ∑j=1naijxj=0 有

|aiixi|=|∑j≠iaijxj|≤∑j≠i|aij||xj|=|xj|∑j≠i|aij|,

从而 ∀i:|aii|≤∑j≠i|aij|,与弱对角占优矩阵矛盾.

2.2 对于不可约矩阵,进一步证明非奇异性.

{|akk||xk|≤∑j≠k|akj||xj|,|akk|≥∑j≠k|akj|,⇒∑j≠k|akj|≤∑j≠k|akj||xj||xk|,

于是 ∀j(|xj|<|xk|):akj=0,即 ∀k∈J,∀j∉J:akj=0,

从而可排列为分块上三角矩阵,矛盾. 证毕.

备注 弱对角占优矩阵不一定非奇异,如 |10−1120−303|=0.


定理 9 若满足下述条件之一,则解 Ax=b 的 J 迭代法与 GS 迭代法均收敛.

  1. A 为严格对角占优矩阵.

  2. A 为不可约弱对角占优矩阵.

证明

  1. 严格对角占优矩阵 → GS 迭代法收敛.

考虑 G=(D−L)−1U 的特征值,即下述方程的解

0=det⁡(λI−G)=det⁡(λI−(D−L)−1U)=det⁡((D−L)−1)det⁡(λ(D−L)−U),

其中系数 det⁡((D−L)−1)≠0,于是特征值即 det⁡(λ(D−L)−U)=0 的根. 记

C:=λ(D−L)−U=|λa11a12⋯a1nλa21λa22⋯a2n⋮⋮⋮λan1λan2⋯λann|,

当 |λ|≥1 时,

|cii|=|λaii|>|λ|∑j≠i|aij|≥∑j=1i−1|λaij|+∑j=i+1n|aij|=∑j≠i|cij|,

从而 C 为严格对角占优矩阵,从而 det⁡(C)≠0,从而 ∀λ:|λ|<1.

  1. 其余条件同理可证. 证毕.


定理 10 设 A 对称,且 ∀i:aii>0,则

  1. J 迭代法收敛 ⇔ A 和 2D−A 均为正定矩阵.

  2. GS 迭代法收敛 ⇐A 正定.

证明 略.


特殊的,对于二阶矩阵有

BJ=(0−a12a11−a21a220),ρ(BJ)=|a12a21a11a22|,
BS=(0−a12a110a12a21a11a22),ρ(BS)=|a12a21a11a22|.

故 J 迭代法与 GS 迭代法同时收敛或发散.

R(BJ)=−ln⁡ρ(BJ)=−12ln⁡|a12a21a11a22|,R(BS)=−ln⁡ρ(BS)=−ln⁡|a12a21a11a22|,

故二者收敛速度之比为 1:2.


 

 

6.3 超松弛迭代法

6.3.1 逐次超松弛迭代法 SOR

 

6.3.2 SOR 迭代法的收敛性

定理(SOR 迭代法的收敛性) 对于 Ax=b,SOR 迭代法收敛性的条件为:

  1. 必要条件:0<ω<2.

  2. 充分条件:0<ω<2 且 A 对称正定.

  3. 充分条件:0<ω≤1 且 A 严格对角占优或不可约弱对角占优.

证明

  1. 必要条件:0<ω<2.

det⁡(Lω)=det⁡[(D−ωL)−1]det⁡[(1−ω)D+ωU]=(1−ω)n=|λ1λ2⋯λn|≤ρ(Lω)n<1⇔0<ω<2.
  1. 充分条件:0<ω<2 且 A 对称正定.

由 Lω=(D−ωL)−1((1−ω)D+ωU),对于某一特征值 λ,Lωy=λy,故

((1−ω)D+ωU)y=λ(D−ωL)y⇒(((1−ω)D+ωU)y,y)=λ((D−ωL)y,y)⇒λ=(Dy,y)−ω(Dy,y)+ω(Uy,y)(Dy,y)−ω(Ly,y)

记

(Dy,y)=∑i=1naii|yi|2≡σ>0,−(Ly,y)≡α+iβ,

由于 A=AT,有 U=LT,于是

−(Uy,y)=−yTUy=(Ly)Ty=−(y,Ly)=−(Ly,y)―=α−iβ,0<(Ay,y)=((D−L−U)y,y)=σ+2α,

从而

λ=(σ−ωσ−αω)+iωβ(σ+αω)+iωβ,|λ|2=(σ−ωσ−αω)2+ω2β2(σ+αω)2+ω2β2,

由于 0<ω<2,分子不为零,且有

(σ−ωσ−αω)2−(σ+αω)2=ωσ(σ+2α)(ω−2)<0,

从而 |λ|<1,从而 SOR 迭代法收敛.

  1. 充分条件:0<ω≤1 且 A 严格对角占优或不可约弱对角占优.

此时 GS 迭代法收敛,其相关量均用波浪线区分(如迭代矩阵为 B~)则存在算子范数使得 ‖B~‖=q~<1. 将迭代方程拆分为:

{x~(k+1)=B~x(k)+f~,x(k+1)=(1−ω)x(k)+ωx~(k+1).

注意第一式右侧是 x(k) 而不是 x~(k). 于是

‖ε(k+1)‖=‖(1−ω)ε(k)+ω(x~(k+1)−x∗)‖≤(1−ω)‖ε(k)‖+ωq~‖x(k)−x∗‖=(1−ω+ωq~)‖ε(k)‖≤(1−ω+ωq~)k+1‖ε(0)‖,

其中 1−ω+ωq~<1,故 SOR 迭代法收敛.


备注 对称正定三对角矩阵有最优松弛参数 ωopt=21+1−ρ(J)2.