Дан алгоритм решения системы линейных уравнений методом Гаусса с выбором главного элемента: когда выбор главного элемента по строке даёт численно устойчивый результат, а когда приводит к потере точности? Приведите пример

18 Ноя в 10:11
5 +1
0
Ответы
1
Коротко — суть и пример.
1) Что такое «выбор главного элемента по строке». Это стратегия, при которой в текущей (i‑й) строке выбирают элемент наибольшего по модулю и (обычно) переставляют столбцы, чтобы он стал текущим ведущим элементом. (Отличается от привычного частичного выбора по столбцу, где ищут максимум в текущем столбце и переставляют строки.)
2) Когда даёт численно устойчивый результат. Выбор по строке обычно безопасен, если по строкам матрица «хорошо масштабирована» и большие элементы строки находятся в тех же столбцах, которые используются как веду­щие в процессе — например, при строковой диагональной доминантности или когда для каждой строки её максимальный по модулю элемент также не мал в соответствующем столбце по сравнению с элементами ниже по столбцу. В таких случаях делители (ведущие элементы) остаются относительно большими и множители невелики, поэтому погрешности не усиливаются.
3) Когда приводит к потере точности. Если в некоторых столбцах находятся очень маленькие элементы, а в строках есть большие элементы в других столбцах, то выбор по строке может привести к тому, что в некоторый момент в столбце останется очень малый ведущий элемент ppp (его не «увидели», выбирая по строке), и при делении появятся очень большие множители ak,ip\frac{a_{k,i}}{p}pak,i . Это даёт большой рост факторов округления и потерю точности (большой growth factor).
4) Пример (иллюстрация потери точности). Пусть
A=(ε111),b=(12),ε=10−10. A=\begin{pmatrix}\varepsilon & 1\\[4pt] 1 & 1\end{pmatrix},\qquad b=\begin{pmatrix}1\\[2pt]2\end{pmatrix},\qquad \varepsilon=10^{-10}.
A=(ε1 11 ),b=(12 ),ε=1010.
Первая строка: максимальный по модулю элемент — 111 в столбце 2, поэтому выбор по строке приводит к перестановке столбцов (меняем местами неизвестные). После этой перестановки в оставшемся шаге на диагонали окажется маленький элемент ε\varepsilonε (в исходной позиции (1,1)(1,1)(1,1)). При прямом исключении появится множитель порядка
m=a21p=1ε=1010, m=\frac{a_{21}}{p}=\frac{1}{\varepsilon}=10^{10},
m=pa21 =ε1 =1010,
то есть ошибки округления и малые остатки умножаются на 101010^{10}1010 — большая потеря значащих цифр. В машинной арифметике с конечной точностью это приводит к сильно искаженному решению. (Если вместо выбора по строке применить частичный выбор по столбцу — выбрать в первом столбце элемент с наибольшим модулем — то мы сначала поменяем строки и будем делить не на ε\varepsilonε, а на 111, и численная устойчивость заметно лучше.)
Вывод: выбор главного элемента по строке стабилен, когда максимумы строк «совпадают» с хорошими (не малыми) элементами в соответствующих столбцах; он ведёт к потере точности, если такой выбор скрывает малые делители в столбцах, что порождает большие множители и усиление ошибок (пример выше с маленьким ε\varepsilonε).
18 Ноя в 10:21
Не можешь разобраться в этой теме?
Обратись за помощью к экспертам
Гарантированные бесплатные доработки в течение 1 года
Быстрое выполнение от 2 часов
Проверка работы на плагиат
Поможем написать учебную работу
Прямой эфир