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Ch5 解线性方程组的直接方法
下面再分析H3的情况 (2) 考虑方程组 (1) 计算H3的条件数cond(H3)∞ ||H3||∞=11/6, ||H3-1||∞=408, 所以cond(H3)∞=748. 同样可计算cond(H6)∞=2.9×107, cond(H7)∞=9.85×108. 由此看出当n越大时, Hn矩阵病态越严重. H3 x=(11/6, 13/12, 47/60)T=b, 设H3及b都有微小误差(取3位有效数字)有 简记为(H3+?H3)(x+?x)=b+?b. 方程组H3x=b与(5.8)的精确解分别为x=(1, 1, 1)T, x+?x=(1.089512538, 0 1.491002798)T. 于是 ?x=(0.0895, -0.5120, 0.4910)T, 这就是说H3与b相对误差不超过0.3%, 而引起解的相对误差超过50%. 由上面的讨论, 要判别一个矩阵是否病态需要计算条件数cond(A) =||A-1||||A||,而计算A-1是比较费劲的, 那么在实际计算中如何发现病态情况呢? (1) 如果在A的三角约化时(尤其是用主元素消去法解(5.3)时)出现小主元, 对大多数矩阵来说, A是病态矩阵, 例如用选主元的直接三角分解法解方程组(5.8)(结果舍入为3位浮点数), 则有 (2) 系数矩阵A的行列式值相对说很小, 或系数矩阵某些行近似线性相关, 这时A可能病态. (3) 系数矩阵A的元素间数量级相差很大, 并且无一定规则, 这时A可能病态. 用选主元素的消去法不能解决病态问题, 对于病态方程组可采用高精度的算术运算(采用双倍字长进行运算)或者采用预处理方法, 即将求解Ax=b转化为一等价方程组 选择非奇异矩阵P, Q使 cond(PAQ)cond(A). 一般选择P, Q为对角阵或者三角矩阵. 当矩阵A的元素大小不均时, 对A的行(或列)引进适当的比例因子(使矩阵A的所有行或列按?-范数大体上有相同的长度, 使A的系数均衡), 对A的条件数是有影响的. 这种方法不能保证A的条件一定得到改善. 例10 设 计算条件数cond (A)?. 解 因为 所以得 现对A的第一行引进比例因子. 如用 除第一个方程式, 得A?x=b?, 即 而 于是得 当用列主元消去法解(5.9)时(计算到小数后3位数字), 于是得到很坏的结果: x2=1, x1=0. 现用列主元消去法解(6.10), 得到 从而得到较好的计算解: x1=1, x2=1. 设?x为方程组Ax=b的近似解, 于是可计算?x的剩余向量r=b-A?x, 当r很小时, ?x是否为Ax=b一个较好的近似解? 下面定理给出了解答. 定理23(事后误差估计) 设A为非奇异矩阵, x是方程组Ax=b≠0的精确解. 再设?x是此方程组的近似解, r=b-A?x, 则 由(5.12)及(5.13)即得到(5.11). 证明 由x-?x =A-1r, 得 又有 (5.11)式说明, 近似解?x的精度(误差界)不仅依赖于剩余r的“大小”, 而且依赖于A的条件数. 当A是病态时, 即使有很小的剩余r, 也不能保证?x是高精度的近似解. 5.5.2 迭代改善法 设Ax=b, 其中A?Rn×n为非奇异矩阵, 且为病态方程组(但不过分病态). 当求得方程组的近似解x1, 下面 研究改善方程组近似解x1精度的方法. 首先用选主元三角分解法实现分解计算 PA=LU, 其中P为置换矩阵, L为单位下三角矩阵, U为上三角矩阵, 且求得计算解x1. 现利用x1的剩余向量来提高x1的精度. 计算剩余向量 r1=b-Ax1, (5.14) 求解Ad=r1, 得到的解记为d1. 然后改善 x2=x1+d1, (5.15) 显然,如果(5.14), (5.15)及解Ad=r1的计算没有误差,x2则就是Ax=b的精确解. 事实上 Ax2=A(x1+d1)=Ax1+Ad1=Ax1+r1=b. 但是,在实际计算中,由于有舍入误差,x2只是方程组的近似
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