- •В. Н. Бєловодський Вісім лекцій по чисельних методах
- •7.080407 «Комп'ютерний еколого-економічний моніторинг»)
- •Лекція 1.Елементи теорії погрішностей
- •.Типи й джерела погрішностей
- •1.2.Абсолютні й відносні погрішності наближених чисел
- •1.3. Погрішності виконання арифметичних операцій
- •.Погрішність обчислення функції
- •1.5.Запис наближених чисел
- •1.6.Правила дій над наближеними числами
- •1.7.Погрішності при машинному поданні чисел
- •1.8. Варіанти індивідуальних завдань
- •Лекція 2. Інтерполяція функцій
- •2.1. Постановка задачі
- •2.2. Алгебраїчна інтерполяція, існування й одиничність інтерполяційного багаточлена
- •2.3. Інтерполяційний багаточлен Лагранжа
- •2.4. Кінцеві й розділені різниці
- •2.5. Інтерполяційний багаточлен Ньютона
- •2.6. Порівняльний аналіз інтерполяційних багаточленів
- •2.7. Погрішності інтерполяційних формул
- •2.8. Інтерполяційні формули для рівновіддалених вузлів
- •2.9. Сплайн - інтерполяція
- •2.10. Варіанти індивідуальних завдань
- •Лекція 3. Методи рішення систем лінійних алгебраїчних рівнянь
- •3.1. Попередні зауваження
- •3.2. Точні методи рішення
- •3.3. Наближені методи рішення
- •3.4. Збіжність і погрішність наближених методів
- •3.6. Варіанти індивідуальних завдань
- •Лекція 4. Вирішення нелінійних рівнянь
- •4.1. Попередні зауваження
- •4.2. Методи, засновані на алгебраїчній інтерполяції
- •4.3. Метод послідовних наближень
- •4.4. Завдання
- •Лекція 5. Рішення систем нелінійних рівнянь
- •Метод ітерацій
- •Метод Ньютона
- •5.3. Порівняльний аналіз методів
- •5.4. Завдання
- •Вимоги до програми
- •Вимоги до звіту
- •6.1. Вступні зауваження
- •6.2. Формули Ньютона-Котеса
- •6.3. Найпростіші квадратурні правила
- •6.4. Погрішності квадратурних формул
- •6.5. Поняття про методи Монте-Карло
- •6.6. Завдання
- •Варіанти завдань
- •Лекція 7. Методи рішення звичайних диференціальних рівнянь
- •Вступні зауваження
- •Аналітичні методи
- •Чисельні методи рішення. Правило Рунге
- •Завдання
- •Лекція 8. Основи спектрального аналізу
- •Елементи загальної теорії
- •Дискретна форма рядів Фур'є
- •8.4. Завдання
3.3. Наближені методи рішення
При використанні наближених методів передбачається, що система (3.11) представлена у вигляді
x=Bx+d, (3.3)
який називається нормальною формою системи рівнянь.
Процес
обчислень у цьому випадку організують
у такий спосіб. По тимі або інших
міркуваннях вибирається початкове
наближення
до рішення системи. Воно підставляється
в праву частину (3.3) , отримане значення
позначається через
,
приймається як наступне наближення й
підставляється в праву частину для
одержання
й т.д. Таким чином, обчислювальний процес
описується формулою
(3.4)
і
називається ітераційним.
Процедура одержання чергового наближення
називається ітерацією.
Після виконання ряду таких ітерацій
одне з наближень і приймається як
наближене рішення. Оцінка отриманої
при цьому погрішності й питання збіжності
послідовності
розглянемо нижче. Описана процедура
наближеного рішення системи рівнянь
називаєтьсяметодом
простої ітерації.
Модифікацією цього методу є метод Зейделя. Його відмінність полягає в тому, що при одержанні компонентів (до+1)-го наближення використовуються отримані на цій же ітерації «поліпшені» значення попередніх компонентів. Математично цей процес описується в такий спосіб
. (3.5)
З метою
прискорення збіжності в якості чергової
поліпшувати^ся компоненты, що,
рекомендується вибирати ту, котрої
відповідає найбільше значення модуля
нев'язання, тобто значення
.
Це реалізується так. Після одержання
до-го
наближення формується вектор
,
компоненти якого впорядковуються по убуванню їхніх модулів. Установлений у результаті цього порядок переноситься й на послідовність обчислення компонент (до+1)-го наближення за правилами (3.5).
Можна показати, що стаціонарний метод Зейделя (3.5), тобто коли порядок обчислення компонент незмінний, зводиться до методу простої ітерації. Дійсно, позначимо через B1, B2 наступні матриці
,

Тоді в матричному виді процес (3.5) виглядає так
.
Звідси
![]()
и
.
Таким
чином, стаціонарний метод Зейделя з
матрицею В
еквівалентний методу простої операції
з матрицею
.
3.4. Збіжність і погрішність наближених методів
Для
опису збіжності обчислювального процесу
й оцінки
погрішності наближеного рішення
необхідні додаткові поняття.
Поняття
норми.Нормою
вектора х,
позначається
,
називається величина ,що задовольняэ
умовам:
1.
;
2.
![]()
![]()
х=0;
(3.6)
3.
;
4.
.
У теорії метричних просторів одержали поширення наступні типи норм:
1.
;
2.
;
3.
.
Залежно
від типу геометричної фігури, одержуваної
в тривимірному просторі, описуваної
умовою
,
перша з них називаєтьсякубічною,
друга,- октаедрическою
і третя,- сферичною.
Нормою
матриці А,
позначається
,
називається величина, що задовольняє
крім вимог (3.6) додатковій умові
![]()
Звичайно, використовуються одна з наступних норм:
1.
;
2.
;
3.
.
При одночасному використанні норм необхідно їхнє узгодження. А саме, норма вектора першого типу використовується з нормою матриці першого типу й т.д.
Поняття
відстані. Відстанню
між
векторами x,
y,
позначається символом
,
називається величина
.
Із властивості 4 (3.6) треба важливе для подальшого, так зване, нерівність трикутника
![]()
Дійсно,
![]()
Стискаючі
відображення.
Нехай
F
,- деяке відображення в лінійному просторі
векторів. Воно називається стискаючої,-
якщо існує таке число
![]()
,
що для будь-яких векторівx,
y
виконується співвідношення
.
Стосовно до нормальної форми системи рівнянь (3.3) у якості F розглянемо праву частину системи рівнянь. А саме,
.
Тоді
.
Таким чином, для того, щоб відображення, обумовлене системою (3.3) було стискаючої досить , щоб одна з норм матриці В була менше 1.
Поняття
збіжності.
Нехай
,
дедо
=
1, 2, …,- деяка нескінченна послідовність
векторів. Говорять, що вона сходиться
до вектора х
по нормі, якщо
![]()
Послідовність
сходиться до вектора
покомпонентно,
якщо
для
.
Неважко
показати, що два ці поняття до певної
міри еквівалентні. А саме, якщо
послідовність
сходиться по нормі, то вона сходиться
покомпонентно й навпаки.
При аналізі збіжності послідовностей центральне місце належить ознаці Коші:
|
Послідовність
(або
|
Збіжність
ітераційного процесу. Оцінка погрішності.
Нехай
,-
ітераційна послідовність, тобто
, (3.7)
де
,-
стискаюче відображення з коефіцієнтом
стиску
.
Розглянемо
.
По індукції маємо
.
(3.8)
Далі, по властивості трикутників і з обліком (3.8), справедливим виявляється співвідношення
(3.9)
Зажадавши тепер, щоб
,
очевидно,
можна знайти номер
,
починаючи з якого
для
,m
> 0
.
Таким чином, для стискаючого відображення ознака Коші виконаний і, отже, ітераційний процес (3.7) сходиться.
Оцінимо
тепер погрішність до-го
наближення, а саме, величину
,
де х-х-
точне рішення. Із цією метою розглянемо
співвідношення (див. (3.9))
![]()
Переходячи
в ньому до межі при
,
одержимо , таким чином,
(3.10)
і доведеним стає твердження:
|
Якщо одна з норм матриці B системи рівнянь (3.3) менше одиниці, то ітераційний процес (3.4) є збіжним при будь-якому початковому наближенні. Погрішність до-го наближення описується співвідношенням (3.10).
|
3.5 Приведення системи Ax=b до нормального виду
З попереднього треба, що успіх наближеного рішення системи лінійних алгебраїчних рівнянь (3.1) багато в чому визначається можливістю її приведення до нормального виду (3.3), для якого виконується достатні умови збіжності. Приведемо деякі розумiння й рекомендації на цей рахунок.
Перший варіант. Розглянемо систему
Ах=b.
Представимо матрицю А в виді суми А=А1+А2, де det А1 ≠ 0. Тоді
(А1+А2)x=b,
звідси
.
Позначивши
через
,
,
одержимо
,
що й
було потрібно. Тоді для того, щоб
забезпечити виконання достатньої умови
збіжності
,
у якостіА1
досить взяти матрицю близьку до А
,
тобто А1≈А,
у якості А2,
- «малу» матрицю
![]()
.
Пояснимо цю пропозицію на прикладі. Розглянемо
,
Тут
.
Нехай
,
Тоді
.
Знайдемо
.
Маємо det А1 = -2 ≠ 0 і
.
Тоді


і система приймає вид
.
Очевидно,
для збіжності методу ітерацій досить
взяти
.
Другий
варіант.
Полягає
в наступному. Шляхом еквівалентних
перетворень намагаються домогтися
того, щоб діагональні елементи в матриці
А
домінували в лівій частині відповідних
рівнянь, тобто були по модулі істотно
більше інших. Після цього кожне з рівнянь
ділять на
й, перше рівняння дозволяють відносно
друге,- відносно
й т.д.
Як приклад розглянемо наступну систему

У результаті аналізу коефіцієнтів лівої частини рівнянь виробляється їхня перестановка

і для
забезпечення домінування в другому
рівнянні коефіцієнта
,
що поки дорівнює-7,9,
до другого рівняння додається третє. У
результаті цього маємо

або, у нормальній формі,
.
Тут матриця
,
очевидно,
її норма
,
і, отже, формований нею ітераційний
процес сходиться.
Третій варіант. Є обґрунтованим теоретично, формалiзуємим і, із цієї причини, мабуть, найбільш зручним. Він полягає в наступному.
Розглянемо систему (3.11)
Ax=b
і
припустимо, що det
А1
≠ 0.
Помножимо обидві частини на
,
одержимо
A1 x=b1,
де
A1=АТА,
b1=
AT
b.
Тут матриця
A1
є
симетричною, тобто
,
причому її діагональні елементи
,
у противному випадку, принаймні, один
зі стовпців матриціА
дорівнює нулю й, отже, det
А
= 0.
Далі, ділячи рівняння на діагональні
елементи
й, дозволяючи їх відносно
,
і т.д. одержимо нормальну систему
,
де
.
Показано, що для нормальної системи, отриманої таким чином, метод Зейделя сходиться.
