第六章作业

6.1 复习与思考题

6.1.1 迭代法的一般形式与收敛条件

一般的,对于 Ax=b,取 A=M−N,

于是 Mx=Nx+b,左乘 M−1 得 x=Bx+f,

其中 M 称为分裂矩阵,B 称为迭代矩阵,

迭代法的一般形式即为 x(k+1)=Bx(k)+f,k∈N+.

当且仅当 ρ(B)<1 时,上述迭代法收敛.


6.1.2 迭代法收敛的充分条件与速度

  1. 充分条件:存在某种算子范数使得 ‖B‖=q<1,则迭代法收敛.

  2. 误差估计:

    1. ‖x∗−x(k)‖≤qk‖x∗−x(0)‖.

    2. ‖x∗−x(k)‖≤q1−q‖x(k)−x(k−1)‖≤qk1−q‖x(1)−x(0)‖.

  3. 收敛速度:

    1. 平均收敛速度:Rk(B):=−ln⁡‖Bk‖1k.

    2. 渐进收敛速度:R(B):=−ln⁡ρ(B).

    3. 若要求 ∀ε(0):‖ε(k)‖‖ε(0)‖≤σ=10−s,

      则收敛所需迭代次数:k≥sln⁡10R(B).


6.1.3 由分裂矩阵构造迭代法

一般的,见 6.1.1 迭代法的一般形式与收敛条件.

  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=(L+U)x+b.

      2. J:=D−1(L+U).

  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. G:=(D−L)−1U.


6.1.4 J 迭代法和 GS 迭代法

  1. 雅可比迭代法

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

    2. x(k+1)=D−1(L+U)x(k)+D−1b,k∈N.

  2. 高斯-塞德尔迭代法

    1. (D−L)x(k+1)=Ux(k)+b,k∈N.

    2. Dx(k+1)=Lx(k+1)+Ux(k)+b,k∈N.

  3. 基本区别

    1. 分裂矩阵 M 从 D 改成了 D−L.

    2. 体现在计算公式上,便是 Lx(k) 改为了 Lx(k+1),使用了变量的最新信息.


6.1.5 严格对角占优与不可约


6.1.6 SOR 迭代法


6.1.7 三种迭代法方法的收敛速度比较

从慢到快:雅可比迭代、高斯-塞德尔迭代、具有最优松弛参数的 SOR 迭代.


6.1.8

6.1.9

6.1.10 一些命题

  1. ×

    1. J 迭代法的收敛条件更严格.

    2. GS 迭代法的收敛条件宽松,并且速度更快.

  2. √,令 ω=1 即得.

  3. ×,还要求 ω∈(0,2).

  4. √,严格对角占优或不可约对角占优的 J 迭代法与 GS 迭代法均收敛.

  5. ×

    1. J 迭代法收敛的充分条件:A 和 2D−A 对称正定.

    2. GS 迭代法收敛的充分条件:A 对称正定.

  6. √,这是必要条件.

  7.  

  8.  

  9.  

  10.  

 

6.2 习题

6.2.1 迭代法的收敛性分析与求解

  1. 该矩阵不对称,但是严格对角占优,因此 J 迭代法与 G-S 迭代法均收敛.

  2.  

 

6.2.2 J 迭代法与 GS 迭代法的收敛性

  1. 方程组一

    1. 法一:该矩阵对称并且正定,因此 G-S 迭代法收敛;2D−A 不正定,故 J 迭代法不收敛.

    2. 法二:

      1. 雅可比迭代法

        BJ=D−1(L+U)=(0−0.4−0.4−0.40−0.8−0.4−0.80),|λI−BJ|=(λ−0.8)(λ2+0.8λ−0.32).

        于是 ρ(B1)=|−0.4−0.48|≈1.09282>1,从而不收敛.

      2. 高斯-塞德尔迭代法

        BS=(D−L)−1U=(0−0.4−0.400.16−0.6400.0320.672),

        思路一:ρ(BS)≤‖BS‖∞=0.6<1,故收敛.

        思路二:|λI−BS|=λ(λ2−0.832λ+0.128),于是 ρ(BS)=0.628264,从而收敛.

  2. 方程组二

    该矩阵不对称,也不严格对角占优或不可约弱对角占优,直接考察其迭代矩阵.

    1. 雅可比迭代法

      BJ=D−1(L+U)=(0−22−10−1−2−20),|λI−BJ|=λ3,

      ρ(BJ)=0<1,故收敛.

    2. 高斯-塞德尔迭代法

      BS=(D−L)−1U=(0−2202−3002),|λI−BS|=λ(λ−2)2,

      ρ(BS)=2>1,故发散.

 

6.2.3 J 迭代法与 GS 迭代法的收敛速度

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.

 

6.2.4 J 迭代法与 GS 迭代法收敛的充要条件

BJ=(0−a100−b100−b100−a50),|λI−BJ|=λ(λ2−3ab100),

因此 J 迭代法收敛 ⇔|ab|<1003.

BS=(0−a1000ab100−b100−a2b500ab50),|λI−BS|=λ2(λ−3ab100),

因此 GS 迭代法收敛 ⇔|ab|<1003.

 

6.2.5 其他迭代法的收敛条件与速度

x(k+1)=(I+αA)x(k)−αb=Bx(k)−αb,

A 的特征值为 2.5±2.52−4 即 1 和 4,

故由哈密顿-凯莱定理,B 的特征值为 1+α,1+4α,

解 ρ(B)<1,得 −12<α<0 时收敛.

由收敛速度定义式 R(B)=−ln⁡ρ(B),当 α=−25 时收敛最快.

 

6.2.6 J 迭代法与 GS 迭代法的收敛速度

A 对称正定,2D−A 也正定,因此 J 迭代法与 GS 迭代法均收敛.

BJ=(002300−121−120),|λI−BJ|=λ2(λ−1112),
ρ(BJ)=1112<1,R(BJ)=−12ln⁡1112,
BS=(002300−12001112),|λI−BS|=λ2(λ−1112),
ρ(BS)=1112<1,R(BS)=−ln⁡1112,

因此两种迭代法均收敛,并且收敛速度之比为 1:2,即 GS 迭代法收敛更快.

 

6.2.7

6.2.8

 

6.2.9 一种迭代法的收敛性

迭代矩阵 B=I−ωA 的特征值为 1−ωλ(A)∈(−1,1),从而 ρ(B)<1,于是收敛.

 

6.2.10

6.2.11