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 називається кубічною, 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 векторів x, 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 , де до = 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 сходиться тоді й тільки тоді, коли для такий номер , що для й виконується (або для ). |
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 якості А1 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 матриці А 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.