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. limkAk=0xRn:limkAkx=0.

1.1 充分性

limkAk=0,则 limkAk=0,从而对于 xRn

limkAkxlimkAkx=0,即 limkAkx=0.

1.2 必要性

x=ei,即可得到 limkAk 的第 i 个分量为零. 证毕.

2. limkBk=0ρ(B)<1c:Bc<1.

2.1 limkBk=0ρ(B)<1.

λ1,则 x0:Bx=λx,于是 Bkx=|λ|kx0,矛盾.

2.2 ρ(B)<1c:Bc<1.

由第 5 章定理 18 即得.

2.3 c:Bc<1limkBk=0.

limkBkclimkBck=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.

{x=Bx+f,x(k)=Bx(k1)+f,

ε(k)=x(k)x=B(x(k1)x)=Bε(k1)=Bk(x(0)x).

ρ(B)<1,知

limkx(k)=x+limkε(k)=x+limkBk(x(0)x)=x.
  1. 必要性:迭代法收敛 ρ(B)<1.

x(0):limkx(k)=x

limkε(k)=limkBkε(0)=0

于是 limkBk=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):(limkx(k)=x)(x=Bx+f).

  2. xx(k)qkxx(0).

  3. xx(k)q1qx(k)x(k1).

  4. xx(k)qk1qx(1)x(0).

证明

  1. ρ(B)B<1,由定理 5 得证.

  2. xx(k)=Bk(xx(0))qkxx(0).

  3. x(k+1)x(k)xx(k)xx(k+1)(1q)xx(k).

    于是 xx(k)11qx(k+1)x(k)q1qx(k)x(k1).

  4. x(k+1)x(k)=B(x(k)x(k1)) 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=10sksln10lnBk1k.

证明

  1. 上确界

    1. ε(k)=Bkε(0),有 ε(k)ε(0)Bk

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

  2. Bkσ=10s 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):=lnBk1k.

  2. 渐进收敛速度R(B):=lnρ(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=DLU.

    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)=D1(L+U)x(k)+D1b,kN.

    3. J:=D1(L+U).

 

6.2.2 高斯-塞德尔迭代法

  1. A 的分解

    1. A=DLU.

    2. M=DL,N=U.

  2. Ax=b 的转换

    1. (DL)x(k+1)=Ux(k)+b,kN.

    2. Dx(k+1)=Lx(k+1)+Ux(k)+b,kN.

    3. G:=(DL)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.

det(A)=0,则 Ax=0 有非零解 x=(x1,x2,,xn)T

|xk|=max1in|xi|,由齐次方程组第 k 个方程 j=1nakjxj=0 有,

|akkxk|=|j=1,jknakjxj|j=1,jkn|akj||xj||xk|j=1,jkn|akj|,

从而 |akk|j=1,jkn|akj|,矛盾.

2. 不可约弱对角占优矩阵是非奇异矩阵.

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|)},

J 为空,则 |x1|=|x2|==|xn|

于是对于 i,由 j=1naijxj=0

|aiixi|=|jiaijxj|ji|aij||xj|=|xj|ji|aij|,

从而 i:|aii|ji|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|jk|akj||xj|,|akk|jk|akj|,jk|akj|jk|akj||xj||xk|,

于是 j(|xj|<|xk|):akj=0,即 kJ,jJ: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 |101120303|=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=(DL)1U 的特征值,即下述方程的解

0=det(λIG)=det(λI(DL)1U)=det((DL)1)det(λ(DL)U),

其中系数 det((DL)1)0,于是特征值即 det(λ(DL)U)=0 的根. 记

C:=λ(DL)U=|λa11a12a1nλa21λa22a2nλan1λan2λann|,

|λ|1 时,

|cii|=|λaii|>|λ|ji|aij|j=1i1|λaij|+j=i+1n|aij|=ji|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 A 对称,且 i:aii>0,则

  1. J 迭代法收敛 A2DA 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=(0a12a11a21a220),ρ(BJ)=|a12a21a11a22|,
BS=(0a12a110a12a21a11a22),ρ(BS)=|a12a21a11a22|.

故 J 迭代法与 GS 迭代法同时收敛或发散.

R(BJ)=lnρ(BJ)=12ln|a12a21a11a22|,R(BS)=lnρ(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<2A 对称正定.

  3. 充分条件:0<ω1A 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[(DωL)1]det[(1ω)D+ωU]=(1ω)n=|λ1λ2λn|ρ(Lω)n<10<ω<2.
  1. 充分条件:0<ω<2A 对称正定.

Lω=(DωL)1((1ω)D+ωU),对于某一特征值 λLωy=λy,故

((1ω)D+ωU)y=λ(DωL)y(((1ω)D+ωU)y,y)=λ((DωL)y,y)λ=(Dy,y)ω(Dy,y)+ω(Uy,y)(Dy,y)ω(Ly,y)

(Dy,y)=i=1naii|yi|2σ>0,(Ly,y)α+iβ,

由于 A=AT,有 U=LT,于是

(Uy,y)=yTUy=(Ly)Ty=(y,Ly)=(Ly,y)=αiβ,0<(Ay,y)=((DLU)y,y)=σ+2α,

从而

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

由于 0<ω<2,分子不为零,且有

(σωσαω)2(σ+αω)2=ωσ(σ+2α)(ω2)<0,

从而 |λ|<1,从而 SOR 迭代法收敛.

  1. 充分条件:0<ω1A 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)=(1ω)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)=(1ω)ε(k)+ω(x~(k+1)x)(1ω)ε(k)+ωq~x(k)x=(1ω+ωq~)ε(k)(1ω+ωq~)k+1ε(0),

其中 1ω+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+1ρ(J)2.