迭代法的收敛条件

定理 i-3-4 (1)(充要条件) 若迭代矩阵满足 ‖M‖1<1 或 ‖M‖∞<1,则求解 Ax=b 的迭代法收敛.

证明

只需证 ρ(B)<1,然后利用定理 i-3-3 (2).

若 ∃‖⋅‖c:‖B‖c<1,则 limk→∞‖Bk‖c≤limk→∞‖B‖ck=0,即 limk→∞Bk=0,于是 ∀x∈Rn:limk→∞Bkx=0,

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

于是 ρ(B)<1,从而得证.


定理 i-3-4 (2)(充要条件) 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.