迭代法的收敛条件

定理 I-1-4 (1)(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 i-1-4 (2)(充分条件) 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.