Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






  • Метод квадратного корня






    Данный метод используется для решения линейной системы

    , (16)

    у которой матрица А симметрическая, т.е. АТ = А, aij = aji (i = j =1,..., n).

    Решение системы (16) осуществляется в два этапа.

    Прямой ход. Преобразование матрицы А и представление ее в виде произведения двух взаимно транспонированных треугольных матриц:

    А = S Т × S, (17)

    где

    Перемножая SТ и S, и приравнивая матрице А, получим следующие формулы для определения sij:

    (18)

    После нахождения матрицы S систему (16) заменяем двумя ей эквивалентными системами с треугольными матрицами (17)

    . (19)

    Обратный ход. Записываем системы (19) в развернутом виде:

    (20)

    (21)

    Используя (20) и (21) последовательно находим

    (22)

    (23)

    Метод квадратных корней дает большой выигрыш во времени по сравнению с рассмотренными ранее прямыми методами, так как, во-первых, существенно уменьшает число умножений и делений (почти в два раза), во-вторых, позволяет накапливать сумму произведений без записи промежуточных результатов. Числовой пример ручного счета можно посмотреть в учебнике: Копченова Н.В., Марен И.А. «Вычислительная математика в примерах и задачах», 1972.

    Машинная реализация метода предусматривает его следующую трактовку. Исходная матрица А системы (16) представляется в виде произведения трех матриц

    A = S Т × D × S,

    где D – диагональная матрица с элементами dii = ±1; S – верхняя треугольная (sik = 0, если i > k, причем sii > 0); S T – транспонированная нижняя треугольная.

    Требование выполнения условия sii > 0 необходимо для полной определенности разложения. Это и определяет необходимость введения диагональной матрицы D.

    Рассмотрим алгоритм разложения матрицы А с использованием матрицы D на примере матрицы второго порядка.

    Пусть А – действительная симметричная матрица

    .

    Будем искать S и D в виде

    , , где dii = ±1.

    Тогда

    .

    Из условия равенства A = S ТD S, получим три уравнения

    Из первого уравнения находим

    d 11 = sign a 11; s 11 = .

    Далее, если а 11 ¹ 0, то s 12 = а 12 / (s 11 d 11), и, наконец

    ,

    т.е. d 22 = sign (a 22 ); s 22 = .

    Здесь и для общего случая матрицу S можно по аналогии с числами трактовать как корень квадратный из матрицы А, отсюда и название метода.

    Итак, если SТDS известно, то решение исходной системы сводится к последовательному решению систем:

    . (23)

    Нахождение элементов матрицы S (извлечение корня из А) осуществляется по рекуррентным формулам, избежав проблемы оперирования комплексными числами:

    dk = sign ;

    skk = ; (24)

    skj = ;

    k = 1, 2,..., n; j = k +1, k +2,..., n.

    В этих формулах сначала полагаем k = 1 и последовательно вычисляем

    d 1 = sign (a 11); s 11 =

    и все элементы первой строки матрицы S (s 1 j, j > 1), затем полагаем k = 2, вычисляем s 22 и вторую строку матрицы s 1 j для j > 2 и т.д.

    Решение систем (23) ввиду треугольности матрицы S осуществляется по формулам, аналогичным обратному ходу метода Гаусса:

    Метод квадратного корня почти вдвое эффективнее метода Гаусса, т.к. полезно использует симметричность матрицы.

    Схема алгоритма метода квадратного корня представлена на рис. 2.3. Значение функции sign(x) равно +1 для всех х > 0 и –1 для всех x < 0.

    Алгоритм реализован в методическом пособии: А.К.Синицын и др. «Алгоритмы вычислительной математики».

    Проиллюстрируем метод квадратного корня, решая систему трех уравнений:

    , .

    Нетрудно проверить, что матрица А есть произведение двух треугольных матриц (здесь dii = 1):

    .

    Исходную систему запишем в виде

    .

    Обозначим

    .

    Тогда для вектора получим систему :

    , откуда y 1 = 3; y 2 = 2; y 3 = 1.

    Зная , решаем систему :

    , откуда х 3 = 1; х 2 = 1; х 1 = 1.

     

     

    Рис. 2.3. Блок-схема метода квадратного корня

     







    © 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
    Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
    Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.