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
迭代法的思路
将 改写为 .
一般取 ,于是 .
或者取 ,于是 .
其中 称为分裂矩阵, 称为迭代矩阵.
唯一解:.
迭代:.
迭代法的性能
6.1.2 序列的极限
证明
1. .
1.1 充分性
若 ,则 ,从而对于 ,
有 ,即 .
1.2 必要性
取 ,即可得到 的第 个分量为零. 证毕.
2. .
2.1 .
若 ,则 ,于是 ,矛盾.
2.2 .
由第 5 章定理 18 即得.
2.3 .
.
证毕.
6.1.3 迭代法的收敛性
定理 5 一阶定常迭代法收敛 .
证明
充分性: 迭代法收敛.
由
得
又 ,知
必要性:迭代法收敛 .
若 ,
则 ,
于是 ,从而 . 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 ,则
迭代法收敛,即 .
.
.
.
证明
,由定理 5 得证.
.
.
于是 .
由 和第三点即得.
命题(收敛速度)
.
.
证明
上确界
由 ,有 ,
并且 .
由 即得.
定义(收敛速度) 对于一阶定常迭代法,
平均收敛速度:.
渐进收敛速度:.
备注
6.2 J 迭代法与 GS 迭代法
6.2.1 雅可比迭代法
的分解
.
.
的转换
.
.
.
6.2.2 高斯-塞德尔迭代法
的分解
.
.
的转换
.
.
.
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 ,则 有非零解 ,
记 ,由齐次方程组第 个方程 有,
从而 ,矛盾.
2. 不可约弱对角占优矩阵是非奇异矩阵.
若 ,则 有非零解 ,
2.1 对于弱对角占优矩阵,如下定义集合,并证明集合非空.
若 为空,则 ,
于是对于 ,由 有
从而 ,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.
于是 ,即 ,
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 .
定理 9 若满足下述条件之一,则解 的 J 迭代法与 GS 迭代法均收敛.
为严格对角占优矩阵.
为不可约弱对角占优矩阵.
证明
严格对角占优矩阵 → GS 迭代法收敛.
考虑 的特征值,即下述方程的解
其中系数 ,于是特征值即 的根. 记
当 时,
从而 为严格对角占优矩阵,从而 ,从而 .
其余条件同理可证. 证毕.
定理 10 设 对称,且 ,则
J 迭代法收敛 和 均为正定矩阵.
GS 迭代法收敛 正定.
证明 略.
特殊的,对于二阶矩阵有
故 J 迭代法与 GS 迭代法同时收敛或发散.
故二者收敛速度之比为 .
6.3 超松弛迭代法
6.3.1 逐次超松弛迭代法 SOR
.
.
.
.
.
.
.
.
迭代
写法一:.
写法二:.
写法三:.
写法四:利用高斯-塞德尔迭代法得到 ,则 .
参数说明
当 时,退化为高斯-塞德尔迭代法.
当 时,称为超松弛迭代法.
当 时,称为低松弛迭代法.
6.3.2 SOR 迭代法的收敛性
定理(SOR 迭代法的收敛性) 对于 ,SOR 迭代法收敛性的条件为:
必要条件:.
充分条件: 且 对称正定.
充分条件: 且 严格对角占优或不可约弱对角占优.
证明
必要条件:.
充分条件: 且 对称正定.
由 ,对于某一特征值 ,,故
记
由于 ,有 ,于是
从而
由于 ,分子不为零,且有
从而 ,从而 SOR 迭代法收敛.
充分条件: 且 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 )则存在算子范数使得 . 将迭代方程拆分为:
注意第一式右侧是 而不是 . 于是
其中 ,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 .