Часть 2. системЫ линейных

АлгебраичЕских уравнений

Лекция 2

ПРЯМЫЕ МЕТОДЫ

ЦЕЛЬ ЛЕКЦИИ: Определить два класса численных методов (прямые и итерационные); показать, как строятся прямые методы Гаусса, LU-факторизации, Холесского; выполнить оценку их эффективности.

Постановка задачи.

Основная задача вычислительной алгебры – решение систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ)

В дальнейшем будем использовать запись этой системы в компактной форме:

( запись означает, что индекс i изменяется от 1 до n с шагом 1), или в векторном виде

,

где

Предполагается, что матрица неособенная, т. е. , и решение единственно.

Прямые и итерационные методы.

Численные методы решения СЛАУ делятся на две большие группы: прямые и итерационные.

Прямые методы при отсутствии ошибок округления за конечное число арифметических операций позволяют получить точное решение . В итерационных методах задается начальное приближение и строится последовательность

,

где k – номер итерации. В действительности итерационный процесс прекращается, как только становится достаточно близким к .

Имеется промежуточный класс методов, в которых решение ищется итерационно, однако для них заранее известно, какое число итераций необходимо выполнить, чтобы в отсутствии ошибок округления получить точное решение. На практике при вычислении приближенного решения число итераций в наиболее эффективных методах оказывается значительно меньшим, чем этого требует теория точного решения.

Какой класс методов лучше? Однозначно на этот вопрос ответить нельзя. Итерационные методы привлекательнее с точки зрения объема вычислений и требуемой памяти, когда решаются системы с матрицами высокой размерности. При небольших порядках системы используют прямые методы либо прямые методы в сочетании с итерационными методами.

Метод Гаусса.

В методе Гаусса линейная система

решается в два этапа. На первом этапе система преобразуется к виду (см. рис. 2.1)

,

Рис. 2.1. Структура системы и портрет ее ненулевых элементов до (а) и после (б)

прямого хода Гаусса

где – верхняя треугольная матрица с единичной диагональю (это так

называемый прямой ход Гаусса). На втором этапе (обратный ход Гаусса) решается система . Рассмотрим эти этапы подробнее.

Прямой ход. Прямой ход Гаусса состоит из n шагов.

Первый шаг. Полагаем, что и разделим на него первое уравнение. Перепишем систему с учетом этого преобразования:

Умножим первое уравнение на и вычтем его из i-го уравнения преобразованной системы:

Обозначим . Получим

Второй шаг. На втором шаге из системы

исключается аналогичным образом:

K-й шаг. Запишем общий вид преобразованной системы после k-го шага прямого хода Гаусса:

Здесь

Проиллюстрируем, как меняется матрица системы в процессе прямого хода Гаусса на примере системы четвертого порядка (рис. 2.2; ненулевые элементы матрицы обозначены крестиками).

Рис. 2.2. Преобразование матрицы системы 4-го порядка на прямом ходе Гаусса

Оценим количество длинных операций (умножений и делений) на первом шаге прямого хода Гаусса. Преобразование первого уравнения требует n таких операций. Преобразование остальных n-1 уравнений – n(n-1) операций умножения и деления. Таким образом, первый шаг выполняется за длинных операций. Рассуждая по аналогии, нетрудно найти затраты на остальных n-1 шагах. Суммарные затраты прямого хода Гаусса определяются в итоге рядом

.

Последняя оценка имеет место для n>>1.

Обратный ход. Запишем систему, решаемую на обратном ходе, в координатном виде

Ее решение:

Запись означает, что индекс k изменяется от значения n-1 до 1 с шагом 1.

Требуемое число длинных операций на обратном ходе

Приближенная оценка справедлива для n>>1.

Общие затраты метода Гаусса:

Таким образом, при больших n основные затраты в методе Гаусса приходятся на прямой ход.