Магнитогорский Государственный Технический Университет имени Г.И.Носова

Кафедра математики

Реферат

Тема: Метод прогонки решения систем с трехдиагональными матрицами коэффициентов

Выполнил: студент группы ЭА-04-2

Романенко Н.А.

Проверил: Королева В.В.

Магнитогорск 2004
Часто возникает необходимость в решении линейных алгебраических систем, матрицы которых, являясь слабо заполненными, т.е. содержащими немного ненулевых элементов, имеют определённую структуру. Среди таких систем выделим системы с матрицами ленточной структуры, в которых ненулевые элементы располагаются на главной диагонали и на нескольких побочных диагоналях. Для решения систем с ленточными матрицами коэффициентов метод
Гаусса можно трансформировать в более эффективные методы.

Рассмотрим наиболее простой случай ленточных систем, к которым, как увидим впоследствии, сводится решение задач сплайн-интерполяции функций, дискретизации краевых задач для дифференциальных уравнений методами конечных разностей, конечных элементов и др. А именно, будем искать решение такой системы, каждое уравнение которой связывает три “соседних” неизвестных:

bixi-1+cixi+dixi=ri (1)

где i=1,2,...,n; b1=0, dn=0. Такие уравнения называются трехточечными разностными уравнениями второго порядка. Система (1) имеет трёхдиагональную структуру, что хорошо видно из следующего, эквивалентного (1), векторно- матричного представления:

c1 d1 0 0 ... 0 0 0 x1 r1 b2 c2 d2 0 ... 0 0 0 x2 r2

0 b3 c3 d3 ... 0 0 0 x3 r3

. . . . ... . . . * ...

= ...

0 0 0 0 ... bn-1cn-1 dn-1 xn-1 rn-1

0 0 0 0 ... 0 bn cn xn rn

Как и в решении СЛАУ методом Гаусса, цель избавится от ненулевых элементов в поддиаганальной части матрицы системы, предположим, что существуют такие наборы чисел ?i и ?i (i=1,2,...,n), при которых

xi= ?ixi+1+ ?i (2)

т.е. трехточечное уравнение второго порядка (1) преобразуется в двухточечное уравнение первого порядка (2). Уменьшим в связи (2) индекс на единицу и полученое выражение xi-1= ?i-1xi+ ?i-1 подставим в данное уравнение (1):

bi?i-1 xi+ bi ?i-1+ cixi+ dixi+1= ri откуда xi= -((di /( ci+ bi?i-1)) xi-1+(ri - bi ?i-1)/( ci - bi ?i-1)).

Последнее равенство имеет вид (2) и будет точно с ним совпадать, иначе говоря, представление (2) будет иметь место, если при всех i=1,2,…,n выполняются рекуррентные соотношения

?i = - di /( ci+ bi?i-1) , ? i=(ri - bi ?i-1)/( ci
- bi ?i-1) (3)

Легко видеть, что, в силу условия b1=0, процесс вычисления ?i , ?i может быть начат со значений

?1 = - d1/ c1 , ?1 = r1/ c1

и продолжен далее по формулам (3) последовательно при i=2,3,...,n, причем при i=n, в силу dn=0, получим ?n=0.Следовательно, полагая в (2) i=n,будем иметь

xn = ?n = (rn – bn ?n-1)/( cn – bn ?n-1)

(где ?n-1 , ?n-1 – уже известные с предыдущего шага числа). Далее по формулам (2) последовательно находятся xn-1 , xn-2 ,…, x1 при i=n-1, n-
2,...,1 соответственно.

Таким образом, решение уравнений вида (1) описываем способом, называемым методом прогонки, сводится к вычислениям по трём простым формулам: нахождение так называемых прогоночных коэффициентов ?i , ?i по формулам (3) при i=1,2,…,n (прямая прогонка) и затем неизвестных xi по формуле (2) при i=n-1, n-2,...,1 (обратная прогонка).

Для успешного применения метода прогонки нужно, чтобы в процессе вычислений не возникало ситуаций с делением на нуль, а при больших размерностях систем не должно быть строгого роста погрешностей округлений.

Будем называть прогонку корректной, если знаменатели прогоночных коэффициентов (3) не обращаются в нуль, и устойчивой, если |?i||bi|+|di| i=1,2,…,n. (4)

Тогда прогонка (3), (2) корректна и устойчива (т.е. сi+bi?i-1?0,

|?i||d1|?0

- неравенство нулю первой пары прогоночных коэффициентов, а так же

|?1|=|- d1/ c1| |di|>0 а с учетом этого

|?i|=|- di/ сi+bi?i-1|=|?i|/| сi+bi?i-1|