Метод Якоби
Метод Якоби — разновидность метода простой итерации для численного решения системы линейных алгебраических уравнений. Назван в честь Карла Густава Якоби.
Описание метода
[править | править код]Пусть требуется численно решить систему линейных уравнений:
Предполагается, что (иначе метод Якоби неприменим). Выразим через первое уравнение, — через второе и т. д.[1]:
В методе Якоби последовательность приближений строится следующим образом. Выбирается первое приближение , формула для остальных приближений имеет вид
- .
В матричной форме имеет следующий вид. Пусть СЛАУ в матричной форме записано как
Представим матрицу в виде , где означает диагональную матрицу, у которой на главной диагонали стоят соответствующие элементы матрицы ; тогда как матрицы и содержат верхнюю и нижнюю треугольные части , на главной диагонали которых нули. Тогда итерационную формулу можно записать как
Сходимость
[править | править код]Приведем достаточное условие сходимости метода.
Теорема. Пусть . Тогда при любом выборе начального приближения :
|
Условие остановки
[править | править код]Условие окончания итерационного процесса при достижении точности имеет вид:
Для достаточно хорошо обусловленной матрицы (при ) оно выполняется при
Данный критерий не требует вычисления нормы матрицы и часто используется на практике. При этом точное условие окончания итерационного процесса имеет вид
и требует дополнительного умножения матрицы на вектор на каждой итерации, что примерно в два раза увеличивает вычислительную сложность алгоритма.
Сравнение с другими методами
[править | править код]В отличие от метода Гаусса-Зейделя мы не можем заменять на в процессе итерационной процедуры, так как эти значения понадобятся для остальных вычислений. Это наиболее значимое различие между методом Якоби и методом Гаусса-Зейделя решения СЛАУ. Таким образом на каждой итерации придётся хранить оба вектора приближений: старый и новый.
Реализация
[править | править код]Ниже приведён алгоритм реализации на C++
#include <math.h> const double eps = 0.001; ///< желаемая точность .......................... /// N - размерность матрицы; A[N][N] - матрица коэффициентов, F[N] - столбец свободных членов, /// X[N] - начальное приближение, ответ записывается также в X[N]; void Jacobi (int N, double** A, double* F, double* X) { double* TempX = new double[N]; double norm; // норма, определяемая как наибольшая разность компонент столбца иксов соседних итераций. do { for (int i = 0; i < N; i++) { TempX[i] = F[i]; for (int g = 0; g < N; g++) { if (i != g) TempX[i] -= A[i][g] * X[g]; } TempX[i] /= A[i][i]; } norm = fabs(X[0] - TempX[0]); for (int h = 0; h < N; h++) { if (fabs(X[h] - TempX[h]) > norm) norm = fabs(X[h] - TempX[h]); X[h] = TempX[h]; } } while (norm > eps); delete[] TempX; }
Ниже приведен алгоритм реализации на Python
from collections.abc import Sequence, MutableSequence def Jacobi( A: Sequence[Sequence[float]], b: Sequence[float], eps: float = 0.001, x_init: MutableSequence[float] | None = None) -> list[float]: """ метод Якоби для A*x = b (*) :param A: Матрица (*) слева :param b: известный вектор (*) справа :param x_init: начальное приближение :return: приблизительное значения х (*) """ def sum(a: Sequence[float], x: Sequence[float], j: int) -> float: S: float = 0 for i, (m, y) in enumerate(zip(a, x)): if i != j: S += m*y return S def norm(x: Sequence[float], y: Sequence[float]) -> float: return max((abs(x0-y0) for x0, y0 in zip(x, y))) if x_init is None: y = [a/A[i][i] for i, a in enumerate(b)] else: y = x.copy() x: list[float] = [-(sum(a, y, i) - b[i])/A[i][i] for i, a in enumerate(A)] while norm(y, x) > eps: for i, elem in enumerate(x): y[i] = elem for i, a in enumerate(A): x[i] = -(sum(a, y, i) - b[i])/A[i][i] return x
Примечания
[править | править код]- ↑ Березин, Жидков, 1959, с. 57.
Литература
[править | править код]- Березин, И. С., Жидков Н. П. Методы вычислений . — М.: Физматлит, 1959. — Т. II.
См. также
[править | править код]Для улучшения этой статьи по математике желательно:
|