数值分析(3)-解线性方程组直接法

数值分析3-解线性方程组直接法

  • 解线性代数方程组直接法
    • 高斯消元,高斯主元素消元
    • 矩阵三角分解法,列主元三角分解
    • 平方根法
    • 追赶法
    • 方程组性态和误差分析

解线性代数方程组直接法

高斯消元,高斯主元素消元

矩阵三角分解法,列主元三角分解

平方根法

** A A A**为n阶对称正定矩阵

Cholesky分解: A = L L T A=LL^T A=LLT

两种唯一分解:

(1)** L L L是单位下三角矩阵, D D D**是对角元完全为正的对角矩阵
A = L D L T A=LDL^T A=LDLT
(2)当限定 L L L的对角元全为正时,Cholesky分解唯一。

追赶法

方程组性态和误差分析

向量范数:
∣ ∣ x ∣ ∣ 1 = ∑ i = 1 n ∣ x i ∣ ||x||_1=\sum_{i=1}^n|x_i| x1=i=1nxi

∣ ∣ x ∣ ∣ 2 = ∑ i = 1 n ∣ x i ∣ 2 ||x||_2=\sqrt{\sum_{i=1}^{n}|x_i|^2} x2=i=1nxi2

∣ ∣ x ∣ ∣ ∞ = max ⁡ 1 ≤ i ≤ n ∣ x i ∣ ||x||_\infty=\max_{1\leq i\leq n}|x_i| x=1inmaxxi

相容: A A A为矩阵, x x x为向量
∣ ∣ A x ∣ ∣ p ≤ ∣ ∣ A ∣ ∣ p ⋅ ∣ ∣ x ∣ ∣ p ||Ax||_p\leq||A||_p\cdot||x||_p AxpApxp
由此推出从属范数
∣ ∣ A ∣ ∣ p = max ⁡ x ≠ 0 ∣ ∣ A x ∣ ∣ p ∣ ∣ x ∣ ∣ p ||A||_p=\max_{x\neq0}\frac{||Ax||_p}{||x||_p} Ap=x=0maxxpAxp
由此可以推导矩阵范数
∣ ∣ A ∣ ∣ 1 = max ⁡ 1 ≤ j ≤ n ∑ i = 1 n ∣ a i j ∣ ( 列 范 数 ) ||A||_1=\max_{1\leq j\leq n}\sum_{i=1}^n|a_{ij}|(列范数) A1=1jnmaxi=1naij

∣ ∣ A ∣ ∣ 2 = λ m a x ( A A T ) ( 谱 范 数 ) ||A||_2=\sqrt{\lambda_{max}(AA^T)}(谱范数) A2=λmax(AAT)

∣ ∣ A ∣ ∣ ∞ = max ⁡ 1 ≤ i ≤ n ∑ j = 1 n ∣ a i j ∣ ( 行 范 数 ) ||A||_\infty=\max_{1\leq i \leq n}\sum_{j=1}^n|a_{ij}|(行范数) A=1inmaxj=1naij

∣ ∣ A ∣ ∣ F = ∑ j = 1 n ∑ i = 1 n a i j 2 ||A||_F=\sqrt{\sum_{j=1}^n\sum_{i=1}^na_{ij}^2} AF=j=1ni=1naij2

注意矩阵范数和向量范数各有一个特殊的:
∣ ∣ x ∣ ∣ 2 = x T x ∣ ∣ A ∣ ∣ F = A T A ∣ ∣ A ∣ ∣ 2 = ρ ( A T A ) ||x||_2=\sqrt{x^Tx}\\ ||A||_F=\sqrt{A^TA}\\ ||A||_2=\sqrt{\rho(A^TA)} x2=xTx AF=ATA A2=ρ(ATA)
矩阵条件数 C o n d ( A ) = ∣ ∣ A − 1 ∣ ∣ ⋅ ∣ ∣ A ∣ ∣ Cond(A)=||A^{-1}||\cdot ||A|| Cond(A)=A1A

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