§3      线性方程组

一、含n个未知量n个方程的线性方程组的解法

[齐次和非齐次线性方程组] 含n个未知量n个方程的线性方程组取如下形式：

                      （1）

当常数项b₁,b₂,...,b_n不全为零时，（1）称为非齐次线性方程组；当b₁,b₂,...,b_n全为零时，（1）称为齐次线性方程组.

       如果记

A=(a_ij)=                                              （系数矩阵）

x=(x₁,x₂,...,x_n)t

b=(b₁,b₂,...,b_n)t              （常数项矢量）

式中t表示转置，那末线性方程组（1）可写成矩阵形式

Ax=b （2）

       [逆矩阵法] 当ïAï ≠0时，线性方程组（2）的解为

x=b

式中是系数矩阵A的逆矩阵，x称为（2）的解矢量.

       [克莱姆法则] 若ïAï ≠0，则方程组（1）的解为

,             ,      ... ,

式中

, , ... ,

这里D_j(j=1,2,...,n)是以常数项矢量b替换A中第j列矢量后得到的n阶行列式.特别

       1° 二阶线性方程组

的解为

,

式中

, ,

       2° 三阶线性方程组

的解为

, ,    

式中

,  

,           

       [有回代过程的主元素消去法（高斯消去法）] 对于n阶线性方程组

可用矩阵表成

消元步骤：

（1）在系数矩阵中找出绝对值最大的元素（这元素称为主元素），不妨设a₁₁（第1行第1列元素）为主元素，（不然，如果为主元素，可先将第i个方程与第1个方程互换位置，再把未知数x₁和x_j的次序调换，那末得到新的系数矩阵，其主元素必在第1行第1列上）.将第1个方程乘以，分别与第i个方程相加（i=2,3,...,n）,得到新的n阶线性方程组，用矩阵表示如下

        （2）在除第1行外的系数矩阵中找出主元素，不妨设b₂₂为主元素.再将第二个方程乘以分别与第i个方程相加(i=3,4,...n),得到新的n阶线性方程组，用矩阵表示如下

(3）按照（1），（2）的方法进行n次以后，在第1至n行外的系数矩阵

中找出主元素，不妨设为主元素，将第n个方程乘以与第n个方程相加，得到新的n阶线性方程组，用矩阵表示如下

       这样做完n次之后，消元过程结束.原来系数矩阵已经化成上三角形矩阵（这时未知数的次序已做了若干次调换）.

       回代步骤：

       由第n个方程解出

将x_n代入第n个方程，解出，再将， x_n代入第n个方程解出，...，最后将已解出的x₂，x₃，...，x_n代入第一个方程解出x₁.

       注意，这里每当找出主元素后，都经过行与行互换和未知数次序调换等手续，也可以把调换未知数次序的步骤放到第n-1步之后一起去做，同样可以得到三角形的系数矩阵.

例1 用主元素消去法解方程组

解 方程组用矩阵表示为：

解的步骤如下：

(1)第2 行第1列的元素－23是主元素，用□框起来，并用矩阵表示成

把矩阵第2行乘以加到第1行上，把第2行乘以加到第3行上，得到矩阵

在除第2行外的系数矩阵中找到第二个主元素在第1行第2列上为.

(2)把第1行乘以加到第3行上，得到矩阵

(3)由第三个方程解出，将代入第二个方程，解出，将,代入第一个方程，解出.

于是方程组的解为(1,2,1).

       [无回代过程的主元素消去法] 这种方法与上法基本一样，不同之处在于每次消元时，都用某一方程去消去其余所有n-1个方程的未知数，例如上面方法的消元步骤（2）中，改成将第二个方程乘以分别与第i个方程相加，i=1,3,4,...,n（共n-1个，与上面方法不同的是，这里包括i=1,并设a₁₂=b₁₂），得到新的系数矩阵是

而最后得到对角系数矩阵是：

因此不需经过回代过程，即可直接解出各个未知数来.

       无回代过程的主元素消去法运算量比有回代过程的大，但在电子计算机上编制程序较为简单.

       为了减少运算量，便于编制程序，第一步可在系数矩阵的第1列找出绝对值最大的元素为列主元素，消元后，第二步从系数矩阵的第2列找出列主元素进行消元，等等.这种消元法称为列主元素消去法，它也可达到较好的精确度.

       [简单迭代法] 一般步骤：

       （1） 将线性方程组

改写成

（2）任意选取一组初始近似值作为方程的第0次近似解.

（3）依次使k=1,2,3,...,用公式

求出方程的第k次近似解，直至满足

为止，式中e>0为预先给定的允许误差.于是第k次近似解在允许误差e的范围内满足方程组.注意这里的允许误差不是指近似解与精确解之间的最大绝对误差.

2. 用简单迭代法求方程组

的解，其允许误差.

解 根据例1可化为方程组

分别由,可得迭代方程(满足收敛条件)

选取初始值,逐次迭代得出一系列近似解：

迭代19次后得到,,在允许误差范围内满足方程组.

[赛得尔迭代法] 把简单迭代法的步骤（3）中的迭代公式改成

其他步骤同简单迭代法.

在一般情况下，赛得尔迭代法比简单迭代法收敛得快些.

3. 用赛得尔迭代法求例2中方程组的解.

解 选取初始值,并代入方程计算出

再将代入方程计算出

再将代入方程计算出

再将,按赛得尔迭代法继续迭代可以发现，因此只需考虑方程,

即解方程

得出,因此方程组的解为

，，

[迭代法的收敛条件与误差估计]

[松弛迭代法] 把简单迭代法的迭代公式改成

其他步骤同简单迭代法.上式中w 是常数，称为松弛因子.适当选取w 可以提高收敛速度，通常w 取为1.5~2（当取w Î (1,2)时，称为超松弛迭代法，当取wÎ (0,1)时，称为低松弛迭代法）.

[共轭斜量法] 线性方程组

Ax=b

可按下面步骤解出：

（1）首先选取适当的近似解为初始值：

（2）计算初次残差矢量

r⁽⁰⁾=b-Ax⁽⁰⁾

和矢量 p⁽⁰⁾=At r⁽⁰⁾

式中At 为A的转置矩阵.

（3）对i=0,1,2,...,N-1,依次按下列公式迭代

x⁽ⁱ⁺¹⁾=x⁽ⁱ⁾+a_ip⁽ⁱ⁾

r⁽ⁱ⁺¹⁾=r⁽ⁱ⁾-a_iAp⁽ⁱ⁾

p⁽ⁱ⁺¹⁾=At r⁽ⁱ⁺¹⁾+b _i+1p⁽ⁱ⁾

式中（a,b）表示矢量a和b的内积（见第八章）.

这一过程只要进行到r^(N)足够小即可停止.

[追赶法解实三对角线性方程组] 实三对角线性方程组

=

可按下面步骤解出：

首先计算

,             

再对k=2,3,...,n-1,依次按下列公式迭代

                      ,     

最后得到线性方程组的解为

4. 用追赶法解方程组

解 按上述公式依次计算得到

,

,

[平方根法解正定矩阵的线性方程组] 设A为正定矩阵，则线性方程组

Ax=b

可按下面步骤解出：

       （1）计算l_ij（分解A=LLt ,L=(l_ij)为实非奇异下三角形矩阵）

式中n为矩阵A的阶数.

       （2）计算y_i（解方程组Ly=b）

（3）计算x_i（解方程组Lt x=y）

       [正定带型矩阵的线性方程组解法] 设A=(a_ij)为一正定带型矩阵，满足

a_ij=0,         ï i-jï >m            (m为正整数)

则线性方程组

Ax=b

可按下面步骤解出：

       (1) 计算l _ij.为了节省存储单元，充分利用矩阵的对称和带型特点，只需存储对角线和对角线下的带中元素，这时可以改变a_ij的下标，令

a_ij=a_i,m-i+j

例如当n=4,m=2的对称带型矩阵的存储格式为

然后按下列公式计算l _ij：

       当i≤m时，

       当i>m时，

       （2）计算y_i. 令

l_ij=l _i,m-i+j

且按下列公式计算y_i：

（3）计算x_i.

这方法只有当m远小于n时才显示出优越性，否则选用其他方法.本公式利用了矩阵的对称性与带型特点，便于在电子计算机上存储，并进行计算.