Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Методичка по численным методам .doc
Скачиваний:
33
Добавлен:
21.11.2019
Размер:
1.26 Mб
Скачать

1.2. Норма матриц и обусловленность

В курсе высшей математики вводится понятие линейного пространства M как множества, в котором определены операции сложения и умножения на действительные (или комплексные) числа, удовлетворяющие ряду аксиом. Известно, что любое конечномерное (n-мерное) линейное пространство эквивалентно пространству арифметических векторов

, (1.9)

в котором введены операции сложения векторов и умножения вектора на действительное число:

,

. (1.10)

Столбцы матрицы A порядка можно рассматривать как систему n арифметических векторов из Rn.

Определение. Линейное пространство M называется нормированным, если каждому элементу поставлено в соответствие единственное неотрицательное число называемое нормой x, и удовлетворяющее свойствам:

1) , причем ;

2) для любого действительного числа ;

3) - для любых x, .

Чаще всего в Rn используются нормы

,

.

Среди наиболее употребительными являются норма

, (1.11)

а также евклидова норма .

Обычно в задачах решения СЛАУ приходится одновременно оперировать и с векторами, и с матрицами, и с их произведениями. При этом, если в Rn введена норма для векторов x, то норма должна быть определена и для матриц и эти две нормы (вектора и матрицы) должны быть согласованы между собой.

Определение. Матричная и векторные нормы в Rn называются согласованными, если выполняется неравенство

для любой матрицы A и любого вектора x.

Наиболее простой способ добиться согласованности матричной нормы с нормой, уже введенной в Rn,-принять следующее:

Определение. Матричной нормой матрицы A, подчиненной векторной норме , называется

.

Такая норма называется еще операторной нормой.

Пример. Подчиненные векторным нормам матричные нормы имеют для квадратной матрицы , соответственно вид

.

Всякая операторная норма, помимо свойств 1-3, обладает еще двумя важными свойствами:

1. для любых матриц A и B;

2. для единичной при любом n .

Важной характеристикой квадратной матрицы A является ее стандартное число обусловленности.

Определение. Стандартным числом обусловленности квадратной невырожденной матрицы A является положительное число, определяемое . Считают условно матрицы, у которых хорошо обусловленными. В противном случае, т.е. при  плохо обусловленными.

Пример. Найти стандартное число обусловленности матрицы

.

Находим обратную матрицу

.

Вычислим нормы и :

,

,

.

Матрица A  хорошо обусловленная.

На практике при решении СЛАУ (1.1) любым методом, в том числе и методом Гаусса, вычисления производятся с округлениями, т.е. неточно. Погрешности вычислений можно интерпретировать как возмущения правой части .

Выясним, как связаны возмущения решения с возмущением правой части . Имеем , . Вычитая из второго операторного уравнения первое, получим . Из последнего уравнения имеем , a затем . Разделим обе части последнего неравенства на

.

Замечая, что , имеем

.

Окончательно

. (1.12)

Таким образом, относительная погрешность решения СЛАУ не превосходит произведения числа обусловленности матрицы A на относительную погрешность части . Для плохо обусловленных матриц A относительная погрешность решения СЛАУ может стать как угодно большой.

Кроме возмущений правой части , могут возникнуть возмущения матрицы системы .

Если правая часть СЛАУ b задана точно, тогда вместо (1.12) имеем следующую оценку для относительной погрешности

. (1.13)

Полная оценка относительной погрешности имеет вид

. (1.14)

Таким образом, на точность решения СЛАУ (1.1) влияют преимущественно два фактора: число обусловленности матрицы A и эквивалентное возмущение , чем больше числа и , тем меньше точность решения.

1.3.Варианты заданий

варианта

1

2

3

4

n=4

4.00000

2.71667

2.10000

1.72143

8.08333

4.00000

3.05000

2.48095

8.16687

5.28333

4.00000

3.24047

10.25000

6.56667

4.95000

4.00000

20.00000

21.00000

23.00000

26.00000

28.00000

29.00000

31.00000

34.00000

36.00000

37.00000

39.00000

42.00000

44.00000

45.00000

47.00000

50.00000

n=5

4.99999809

3.54999828

2.81428337

2.34642792

2.01745987

7.28333282

4.99999714

3.90714073

3.23095036

2.76309395

9.56666565

6.44999886

4.99999619

4.11547470

3.50872898

11.84999847

7.89999866

6.09285545

4.99999714

4.25436306

30.00000000

31.00000000

33.00000000

36.00000000

40.00000000

40.00000000

41.00000000

43.00000000

46.00000000

50.00000000

50.00000000

51.00000000

53.00000000

56.00000000

60.00000000

60.00000000

61.00000000

63.00000000

66.00000000

70.00000000

n=6

5.99999714

4.40714073

3.56428337

3.01309395

2.61745930

2.31727791

8.44999886

5.99999619

4.78214073

4.00872803

3.46309280

3.05382156

10.89999866

7.59285545

5.99999619

5.00436306

4.30872822

3.79036522

13.34999752

9.18571281

7.21785545

5.99999619

5.15436268

4.52690983

42.00000000

43.00000000

45.00000000

48.00000000

52.00000000

57.00000000

54.00000000

55.00000000

57.00000000

60.00000000

64.00000000

69.00000000

66.00000000

67.00000000

69.00000000

72.00000000

76.00000000

81.00000000

78.00000000

79.00000000

81.00000000

84.00000000

88.00000000

93.00000000

варианта

5

6

7

8

n=4

3.99999905

2.71666527

2.09999847

1.72142792

6.08333302

3.99999809

3.04999828

2.48095036

8.16666603

5.28333282

3.99999714

3.24047470

10.24999905

6.5666565

4.94999886

3.99999714

20.00000000

21.00000000

23.00000000

26.00000000

28.00000000

29.00000000

31.00000000

34.00000000

36.00000000

37.00000000

39.00000000

42.00000000

44.00000000

45.00000000

47.00000000

50.00000000

n=5

4.99999809

3.54999828

2.81428337

2.34642792

2.01745987

7.28333282

4.99999714

3.90714073

3.23095036

2.76309395

9.56666565

6.44999886

4.99999619

4.11547470

3.50872898

11.84999847

7.89999866

6.09285545

4.99999714

4.25436306

30.00000000

31.00000000

33.00000000

36.00000000

40.00000000

40.00000000

41.00000000

43.00000000

46.00000000

50.00000000

50.00000000

51.00000000

53.00000000

56.00000000

60.00000000

60.00000000

61.00000000

63.00000000

66.00000000

70.00000000

n=6

5.99999714

4.40714073

3.56428337

3.01309395

2.61745930

2.31727791

8.44999886

5.99999619

4.78214073

4.00872803

3.46309280

3.05382156

10.89999866

7.59285545

5.99999619

5.00436306

4.30872822

3.79036522

13.34999752

9.18571281

7.21785545

5.99999619

5.15436268

4.52690983

30.00000000

31.00000000

33.00000000

48.00000000

52.00000000

57.00000000

40.00000000

41.00000000

43.00000000

60.00000000

64.00000000

69.00000000

50.00000000

51.00000000

53.00000000

72.00000000

76.00000000

81.00000000

60.00000000

61.00000000

63.00000000

84.00000000

88.00000000

93.00000000