Численные методы (стр. 2 из 9)

Из (18), учитывая равенство

, получим

(19)

Отсюда и из (16) видно, что

где обозначено

. Поскольку Р-матрица перестановок и L-нижняя треугольная матрица, свойство (17) доказано. Оно означает, что метод Гаусса с выбором главного элемента по столбцу эквивалентен обычному методу Гаусса, примененному к матрице РА, т.е. к системе, полученной из исходной системы перестановкой некоторых уравнений.

3. Общий вывод. Результат, полученный ранее для очень частного примера, справедлив и в случае общей системы уравнений (1).

А именно, метод Гаусса с выбором главного элемента по столбцу можно записать в виде

(20)

где

- элементарные матрицы перестановок такие, что

и -элементарные нижние треугольные матрицы.

Отсюда, используя соотношения перестановочности, аналогичные (19), можно показать, что метод Гаусса с выбором главного элемента эквивалентен обычному методу Гаусса, примененному к системе

PAx=Pf, (21)

где Р - некоторая матрица перестановок.

Теоретическое обоснование метода Гаусса с выбором главного элемента содержится в следующей теореме.

ТЕОРЕМА 1. Если

то существует матрица перестано-

вок Р такая, что матрица РА имеет отличные от нуля угловые ми-

норы.

Доказательство в п.4.

СЛЕДСТВИЕ.Если

то существует матрица престана-

вок Р такая, что справедливо разложение

РА=LU, (22)

где L-нижняя треугольная матрица с отличными от нуля диагональными элементами и U- верхняя треугольная матрица с единичной главной диагональю. В этом случае для решения системы (1) можно применять метод Гаусса с выбором главного элемента.

4. Доказательство теоремы 1. Докажем теорему индукцией по числу m -порядку матрицы А.

Пусть m=2, т.е.

Если

то утверждение теоремы выполняется при Р=Е, где Е - единичная матрица второго порядка. Если , то , т.к. При этом у матрицы

все угловые миноры отличны от нуля.

Пусть утверждение теоремы верно для любых квадратных матриц порядка m-1. Покажем, что оно верно и .для матриц порядка m. Разобьем матрицу А порядка m на блоки

где

Достаточно рассмотреть два случая :

и . В первом случае по предположению индукции существует матрица перестановок порядка m-1 такая, что имеет отличные от нуля угловые миноры. Тогда для матрицы перестановок

имеем

причем

. Тем самым все угловые миноры матрицы РА отличны от нуля.

Рассмотрим второй случай, когда

. Т.к. , найдется хотя бы один отличный от нуля минор порядка m-1 матрицы А, полученный вычеркиванием последнего столбца и какой-либо строки. Пусть, например,

где

.

Переставляя в матрице А строки с номерами l и m,получим матрицу

, у которой угловой минор порядка m-1 имеет вид

и отличается от (23) только перестановкой строк. Следовательно, этот минор не равен нулю и мы приходим к рассмотренному выше случаю.

Теорема доказана.

ВЫЧИСЛЕНИЕ ОПРЕДЕЛИТЕЛЯ МЕТОДОМ ГАУССА С ВЫБОРОМ ГЛАВНОГО ЭЛЕМЕНТА.

Одновременно с решением системы линейных алгебраических уравнений

можно вычислить определитель матрицы А.

Пусть в процессе исключения найдено распожение

т.е. построены матрицы L èU . Тогда

и, таким образом, произведение диагональных елементов матрицы L (ведущих, главных елементов метода исключения) равно определителю матрицы РА. Поскольку матрицы РА и А отличаются только перестановкой строк, определитель матрицы РА может отличаться от определителей матрицы А только знаком.

А именно,

Таким образом, для вычисления определителя необходимо знать, сколько перестановок было осуществлено в процессе сключения.

Если матрица А выроджена, то при использовании метод Гаусса с выбором главного элемента по столбцу на некотором шаге исключения К все элементы которого столбца, находящиеся ниже главной диагонали и на ней, окажутся равными нулю.При этом дальнейшее исключение становится невозможным и программа должна выдать информацию о том, что определитель матрицы равен нулю.

ОБРАЩЕНИЕ МАТРИЦ.

Нахождение матрицы, обратной матрице А , еквивалентно решению матричного уравнения

(1)

где Е - единичная матрица, X - искомая квадратная матрица.

Уравнение (1) можно записать в виде системы

уравнений

(2)

где

Можно заметить, что система (2) распадается на m независимых систем уравнений с одной и той же матрицей А , но с различными правыми частями. Эти системы имеют

вид ( фиксируем j ) :

(3)

где

у вектора - столбца равна единице j-та компонента и равны нулю остальные компоненты.

Например, для матрицы второго порядка система (2) распадается на две независимые системы:

Äëÿ ðåøåíèÿ систем (3) используется метод Гаусса ( обычный или с выбором главного элемента).

Рассмотрим применение метода Гаусса без выбора главного элемента. Поскольку все системы (3) имеют одну и ту же матрицу А , достаточно один раз совершить прямой ход метода Гаусса, т.е. получить разложение A=LU и запомнить матрицы L i U .

Обратный ход осуществляется путем решения систем уравнений

с треугольными матрицами L è U.

При осуществлении обратного хода можно сократить число действий, принимая во внимание специальный вид правых частей системы (4).

Запишем подробнее первые j-1 уравнений системы (4):

Учитывая невырожденность матрицы L ( т.е.

отсюда получаем

При этом оставшиеся уравнения системы (4) имеют вид

Отсюда последовательно находятся неизвестные

по формулам: