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病态线性方程组
第四讲病态线性方程组求解 预条件技术 80年代提出,纯代数观点 M 近似 A, 求解 (左预条件) M y = c 易解 相当于化学反应中寻找高效、廉价的催化剂,能极大地提高迭代方法的速度。 预条件技术(续) 代数预条件技术 ILU、SPAI、SOR、多项式 几何预条件技术 某方向压缩粗化、网格均匀化、区域规则化近似 分析预条件技术 变系数常数化、Green函数稀疏近似、强化椭圆型 物理预条件 量纲平衡、物理参数逼近、状态方程近似、某些物理项简化、算子分裂 高级预条件 MG、DDM、快速变换(FFT)、基底变换法 作业 教材第46页习题11、12. 数值分析 朱立永 北京航空航天大学 数学与系统科学学院 Email: numerical_analysis@buaa.edu.cn Password:beihang 答疑时间:星期三下午2:00-5:00 答疑地点:主216 第二章 线性方程组的解法 In Scientific Computing ↓ Large Linear Systems Ax=b as sub-problems/ as intermediate steps Gauss-Seidel method Jacobi method SOR method Conjugate Gradient method for symmetric systems Gaussian elimination LU factorization Cholesky factorization GMRES GCR Bi-CG CGS Bi-CGSTAB Bi-CGSTAB2 GPBi-CG Bi-CGSTAB(L) perturbation perturbation It’s funny that such small perturbations in the coefficients lead to so big change in the solution! 数值算例 提问:求解Ax=b时,A和b的误差对x有何影响? 由实际问题建立起来的线性方程组Ax=b本身存在模型误差和观测误差,或者是由计算得到的,存在舍入误差等。总之,A,b都会有一定扰动ΔA, Δb, 因此实际处理的是A+ ΔA或b+ Δb ,我们需要分析A或b的扰动对解的影响。 矩阵的条件数与病态线性方程组 提问:求解Ax=b时,A和b的误差对x有何影响? 1:A非奇异,设精确,b有误差Δb,导致解x有多大误差? 2:设b精确,A有误差ΔA,导致解x有多大误差?设A非奇异,||ΔA|| ||A-1||1 3:设b,A分别有误差Δb和ΔA,导致解x有多大误差?设A非奇异,||ΔA|| ||A-1||1 解的相对误差 A的相对误差 b的相对误差 当方程组的系数矩阵A或右端项b受到扰动ΔA, Δb时,引起的解的相对误差完全由??A??·??A-1??来决定,它刻画了方程组的解对原始数据的敏感程度。 矩阵的条件数(Condition number ) 定义:对非奇异矩阵A,称乘积||A|| ||A-1||为矩阵A的条件数,记为 cond(A)= ||A|| ||A^-1|| ||A|| ||A^-1||是我们遇到的第二个放大因子; cond(A)的具体大小与||?||有关,但相对大小一致; cond(A)的大小本质取决于A,与解题的方法无关; cond(A)=∞,如果A是奇异的。 常用的矩阵条件数 例:Hilbert 阵 cond (H2)? = 27 cond (H3)? ? 748 cond (H6)? = 2.9 ? 106 注:现在用Matlab数学软件可以很方便求矩阵的条件数! 矩阵条件数的一些性质 cond(A)≥1; A非奇异,k≠0,则cond(kA)=cond(A); A非奇异对称矩阵,则cond(A)2=|λ1/λn|; A是正交矩阵,则cond(A)2=1; A可逆,R正交,则cond(RA)2=cond(AR)2=cond(A)2 病态、良态线性方程组 定义:对线性方程组Ax=b,若cond(A)相对很大,则称Ax=b是病态的线性方程组;若cond(A)相对很小,则称Ax=b是良态的线性方程组。 一个病态线性方程组的例子(见书上) 对于严重的病态线性方程组,即使原始数据A和b都没有误差,但如果在求解过程中有舍入误差,所得到的解也会有很大的相对误差。 什么样的线性方程组可能是病态的? 注:一般判断矩阵是否病态,并不计算A?1,而由经验得出。 ? 行列式很大或很小(如某些行、列近似相关); ? 元素间相差大数量级,且无规则; ? 主元消去过程中出现小主元; ? 特征
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