Численные методы. Программа решения СЛАУ с помощью прямого метода

Министерство образования Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра прикладной математики

Лабораторная работа № 1

Численные методы

Факультет: ПМИ

Группа: ПМ-12

Студент:  Дуркин Д.С.

Кичаева Н.А.

Новосибирск

2003

В данной работе мы написали программу решения СЛАУ  с помощью прямого метода, основанного на разложении матрицы А на произведение , где L - нижнетреугольная матрица, а U - верхнетреугольная матрица с единицами на главной диагонали. В силу того, что исходная матрица задается в профильном формате, алгоритм   разложения разработан для профильного формата.

Согласно теореме о  разложении этот метод применим только для матрицы А, все угловые миноры которой не равны нулю. В противном случае разложение не возможно.

Алгоритм получения  разложения имеет следующий вид:

Отсюда

Далее решим систему  с нижнетреугольной матрицей . Алгоритм получения формул для прямого хода имеет вид:

Для обратного хода , где U - верхнетреугольная матрица с единицами на главной диагонали формулы получения вектора x имеют вид:

В лабораторной работе также реализован метод Гаусса с выбором ведущего элемента для плотных матриц.

Подсчитаем количество действий, затрачиваемых для решения СЛАУ методом Гаусса.

• Деления

• Умножения

   Посчитаем сначала количество умножений для вычисления .

Теперь посчитаем количество действий для вычисления коэффициентов .

В итоге получаем:

Замечание:

Для тех коэффициентов, про которые заранее известно, что они обнуляются, действия не учитывались!

• Суммирование

Количество суммирований равно количеству умножений.

Таким образом, при больших число действий равно приблизительно .

Теперь, исходя из описанных выше формул, посчитаем количество действий, затрачиваемых для решения СЛАУ  методом - разложения:

·  -разложение:

1.  Суммирование

Посчитаем сначала для диагональных элементов нижнетреугольной матницы, т.е. для  .

Для вычисления элементов нижнего треугольника (без диагональных ) требуется   операций.

Для вычисления элементов верхнего треугольника  необходимо  следующее количество действий.         

В итоге получаем суммирований.

2. Умножение

Поскольку при данном алгоритме  разложения количество суммирований совпадает с количеством умножений, то мы имеем  умножений.

3.Деление

В данном случае деление требуется только для вычисления элементов верхнетреугольной матрицы , причем для каждого  требуется ровно одно деление на диагональный элемент, то количество делений совпадает с количеством ненулевых элементов матрицы ( исключая диагональные элементы ).

·  Вычисление вектора y(  ):

1. Суммирование

Для каждого i  требует (i-1) суммирований, т.е.

2. Умножение

Количество умножений здесь также совпадает с количеством суммирований, поэтому мы имеем   умножений.

3.Деление

При вычислении все элементы  делятся на диагональные элементы матрицы  по одному разу, отсюда количество делений совпадает с количеством элементов , т.е. .

·  Вычисление вектора x( ):

1. Суммирование

Для каждого i  требует тоже (i-1) суммирований, т.е.

2. Умножение

Количество умножений-  .

В итоге мы имеем, что количество операций умножений, равно как и операций сложения, в методе -разложения при достаточно больших будет . Таким образом, подобных операций в методе Гаусса, как видно из вычислений, приведенных выше, будет в 2 раза меньше!

Тестирование

1.Матрица с нулевым угловым минором

результат работы программы:There is no LU decomposition!

2. Матрица с нулевой диагональю

результат работы программы:There is no LU decomposition!

3. Профильная матрица с дробными элементами

результата выполнения программы: