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第1章.数值分析实验报告
一、实验3。1
题目:
考虑线性方程组回,回,回,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)取矩阵回,回,则方程有解回。取回计算矩阵的条件数。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回(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行以下各行计算回,分别用②乘以增广矩阵回的第回行并加到第②行,则可将增广矩阵回中第回列中回以下的元素消为零;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,即回;
列主元高斯消去法:
第k步消去中,在增广矩阵回中的子方阵回中,选取回使得回,当回时,对回中第回行与第回行交换,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,即回;
完全主元高斯消去法:
第k步消去中,在增广矩阵回中对应的子方阵回中,选取回使得回,若回或回,则对D中第回行与第回行、第回列与第回列交换,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,即回;
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,回
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:
000
最终解为x=(1.000000000000000,1。000000000000000,
1.000000000000000,1。000000000000001,0.999999999999998,1。000000000000004,0。999999999999993,1.000000000000012,0。
999999999999979,1。000000000000028)T
使用无穷范数衡量误差,得到=2.842170943040401e—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,按照顺序高斯消去法计算时,其选取的主元值和矩阵中其他元素大小相近,因此顺序高斯消去法方式并没有对结果造成特别大的影响。
若采用列主元高斯消元法,则结果为:
最终解为x=(1。000000000000000,1。000000000000000,1。
000000000000000,1.000000000000000,1。000000000000000,1。000000000000000,1。000000000000000,1。000000000000000,
同样使用无穷范数衡量误差,有D=0;
若使用完全主元高斯消元法,则结果为
4.02000000000000
4010101.000001010101010
t00108.0100
1.0000000010068.0000000
.400000000
.0101
.010103
0-0.015617370505459
英金通主元usg清元法解力:
111
所家解与解之壤的无育为
最终解x=(1.000000000000000,1。000000000000000,1。000000000000000,1。000000000000000,1.000000000000000,1。000000000000000,1。
000000000000000,1。000000000000000,1。000000000000000,1。
000000000000000)T
同样使用无穷范数衡量误差,有D=0;(2)
若每步都选取模最小或尽可能小的
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