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清华大学数值分析实验报告--第1页
清华大学数值分析实验报告
数值分析实验报告
一、实验3.1
题目:
考虑线性方程组,,编制一个能自动选取主元,又能手动选取主
元的求解线性代数方程组的Gauss消去过程。
(1)取矩阵,则方程有解。取计算矩阵的条件数。分别用顺序
Gauss消元、列主元Gauss消元和完全选主元Gauss消元方法求解,
结果如何?
(2)现选择程序中手动选取主元的功能,每步消去过程都选取模
最小或按模尽可能小的元素作为主元进行消元,观察并记录计算结果,
若每步消去过程总选取按模最大的元素作为主元,结果又如何?分析
实验的结果。
(3)取矩阵阶数n=20或者更大,重复上述实验过程,观察记录
并分析不同的问题及消去过程中选择不同的主元时计算结果的差异,
说明主元素的选取在消去过程中的作用。
(4)选取其他你感兴趣的问题或者随机生成的矩阵,计算其条件
数,重复上述实验,观察记录并分析实验的结果。
1.算法介绍
首先,分析各种算法消去过程的计算公式,顺序高斯消去法:
第k步消去中,设增广矩阵中的元素(若等于零则可以判定系数
矩阵为奇异矩阵,停止计算),则对k行以下各行计算,分别用乘以
增广矩阵的第行并加到第行,则可将增广矩阵中第列中以下的元素消
为零;重复此方法,从第1步进行到第n-1步,则可以得到最终的增
广矩阵,即;
列主元高斯消去法:
第k步消去中,在增广矩阵中的子方阵中,选取使得,当时,对
中第行与第行交换,然后按照和顺序消去法相同的步骤进行。重复此
方法,从第1步进行第n-1步,就可以得到最终的增广矩阵,即;
清华大学数值分析实验报告--第1页
清华大学数值分析实验报告--第2页
完全主元高斯消去法:
第k步消去中,在增广矩阵中对应的子方阵中,选取使得,若或,
则对中第行与第行、第列与第列交换,然后按照和顺序消去法相同的
步骤进行即可。重复此方法,从第1步进行到第n-1步,就可以得到
最终的增广矩阵,即;
接下来,分析回代过程求解的公式,容易看出,对上述任一种消
元法,均有以下计算公式:
2.实验程序的设计
一、输入实验要求及初始条件;
二、计算系数矩阵A的条件数及方程组的理论解;
三、对各不同方法编程计算,并输出最终计算结果。
3.计算结果及分析
(1)
先计算系数矩阵的条件数,结果如下,可知系数矩阵的条件数较
大,故此问题属于病态问题,b或A的扰动都可能引起解的较大误差;
采用顺序高斯消去法,计算结果为:
最终解为
x=(1.***,1.***,1.***,1.***,0.***,1.***,0.***,1.***,0.***,1.***)T
使用无穷范数衡量误差,得到=2.842***1e-14,可以发现,采用
顺序高斯消元法求得的解与精确解之间误差较小。通过进一步观察,
可以发现,按照顺序
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