迭代矩阵谱半径

精心整理《数值计算方法》复习试题一、填空题：1、⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡----=410141014A ，则A 的LU 分解为A ⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦。

答案：⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--=15561415014115401411A 3、1)3(,2)2(,1)1(==-=f f f ，式为。

答案：-1，)3)(1(2)3)(2(21)(2-----=x x x x x L 4、近似值5、设)(x f ()；答案1n x =+6、对)(x f =]4,3,2,1(0)；78n 次后的误差限为(12+-n ab )； 10、已知f (1)＝2，f (2)＝3，f (4)＝5.9，则二次Newton 插值多项式中x 2系数为(0.15)； 11、 解线性方程组A x =b 的高斯顺序消元法满足的充要条件为(A 的各阶顺序主子式均不为零)。

12、 为了使计算32)1(6)1(41310---+-+=x x x y 的乘除法次数尽量地少，应将该表达式改写为11,))64(3(10-=-++=x t t t t y ，为了减少舍入误差，应将表达式19992001-改写为199920012+。

13、 用二分法求方程01)(3=-+=x x x f 在区间[0,1]内的根,进行一步后根的所在区间为0.5，1,进行两步后根的所在区间为0.5，0.75。

14、 求解方程组⎩⎨⎧=+=+042.01532121x x x x 代矩阵的谱半径)(M ρ=121。

15、 设46)2(,16)1(,0)0(===f f f ,则=)(1x l (1l )1(716)(2-+=x x x x N 。

16、(高斯型)求积公式为最高，具有(12+n )次代21]内的根精确到三位小数，需对分（10）次。

22、已知≤≤≤≤3110(x x S 是三次样条函数，则a =(3 )，b 23、(),(10l x l Lagrange 插值基函数，则∑==nk kx l)((1)，=k 0(j)，当时=++=)()3(204x l x xk k k k (324++x x )。

数值分析实验报告-清华大学--线性代数方程组的数值解法(总15页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--线性代数方程组的数值解法实验1. 主元的选取与算法的稳定性问题提出：Gauss 消去法是我们在线性代数中已经熟悉的。

但由于计算机的数值运算是在一个有限的浮点数集合上进行的，如何才能确保Gauss 消去法作为数值算法的稳定性呢？Gauss 消去法从理论算法到数值算法，其关键是主元的选择。

主元的选择从数学理论上看起来平凡，它却是数值分析中十分典型的问题。

实验内容：考虑线性方程组 n n n R b R A b Ax ∈∈=⨯,,编制一个能自动选取主元，又能手动选取主元的求解线性方程组的Gauss 消去过程。

实验要求：（1）取矩阵⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=1415157,6816816816 b A ，则方程有解T x )1,,1,1(* =。

取n=10计算矩阵的条件数。

让程序自动选取主元，结果如何？（2）现选择程序中手动选取主元的功能。

每步消去过程总选取按模最小或按模尽可能小的元素作为主元，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矩阵，计算其条件数。

重复上述实验，观察记录并分析实验结果。

程序清单n=input('矩阵A 的阶数:n=');A=6*diag(ones(1,n))+diag(ones(1,n-1),1)+8*diag(ones(1,n-1),-1); b=A*ones(n,1);p=input('计算条件数使用p-范数,p='); cond_A=cond(A,p) [m,n]=size(A);Ab=[A b];r=input('选主元方式(0:自动;1:手动)，r=');Abfor i=1:n-1switch rcase(0)[aii,ip]=max(abs(Ab(i:n,i)));ip=ip+i-1;case (1)ip=input(['第',num2str(i),'步消元，请输入第',num2str(i),'列所选元素所处的行数：']);end;Ab([i ip],:)=Ab([ip i],:);aii=Ab(i,i);for k=i+1:nAb(k,i:n+1)=Ab(k,i:n+1)-(Ab(k,i)/aii)*Ab(i,i:n+1);end;if r==1Abendend;x=zeros(n,1);x(n)=Ab(n,n+1)/Ab(n,n);for i=n-1:-1:1x(i)=(Ab(i,n+1)-Ab(i,i+1:n)*x(i+1:n))/Ab(i,i);endx运行结果(1)n=10，矩阵的条件数及自动选主元Cond(A,1) =×103Cond(A,2) = ×103Cond(A,inf) =×103程序自动选择主元（列主元）a.输入数据矩阵A的阶数:n=10计算条件数使用p-范数,p=1选主元方式(0:自动;1:手动)，r=0b.计算结果x=[1，1，1，1，1，1，1，1，1，1]T(2)n=10，手动选主元a. 每步消去过程总选取按模最小或按模尽可能小的元素作为主元矩阵A 的阶数:n=10计算条件数使用p-范数,p=1选主元方式(0:自动;1:手动)，r=1(1)(1)61786115[]861158614A b ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦第1步消元，请输入第1列所选元素所处的行数：1(2)(2) 6.0000 1.00007.00004.6667 1.0000 5.66678.0000 6.000015.0000[]8.00001.000015.00006.0000 1.00008.0000 6.0000 1.000015.00008.0000 6.000014.0000A b ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦第2步消元，请输入第2列所选元素所处的行数：2…（实际选择时，第k 步选择主元处于第k 行） 最终计算得x=[, , , , , , , , , ]Tb. 每步消去过程总选取按模最大的元素作为主元 矩阵A 的阶数:n=10计算条件数使用p-范数,p=1选主元方式(0:自动;1:手动)，r=1(1)(1)61786115[]861158614A b ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦第1步消元，请输入第1列所选元素所处的行数：2(2)(2)8.0000 6.0000 1.000015.0000-3.50000.7500-4.250008.0000 6.0000 1.000015.0000[]8.0000 6.000015.00008.0000 1.00006.0000 1.000015.00008.0000 6.000014.0000A b ⎡⎤⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦第2步消元，请输入第2列所选元素所处的行数：3…（实际选择时，第k 步选择主元处于第k+1行） 最终计算得x=[1，1，1，1，1，1，1，1，1，1]T(3)n=20，手动选主元a. 每步消去过程总选取按模最小或按模尽可能小的元素作为主元 矩阵A 的阶数:n=20计算条件数使用p-范数,p=1选主元方式(0:自动;1:手动)，r=1(1)(1)61786115[]861158614A b ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦第1步消元，请输入第1列所选元素所处的行数：1(2)(2) 6.0000 1.00007.00004.6667 1.0000 5.66678.0000 6.000015.0000[]8.00001.000015.00006.0000 1.00008.0000 6.0000 1.000015.00008.0000 6.000014.0000A b ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦第2步消元，请输入第2列所选元素所处的行数：2…（实际选择时，第k 步选择主元处于第k 行） 最终计算得x=[，，，，，，，，，，，，，，，，，，，]T b. 每步消去过程总选取按模最大的元素作为主元 矩阵A 的阶数:n=20计算条件数使用p-范数,p=1选主元方式(0:自动;1:手动)，r=1(1)(1)61786115[]861158614A b ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦第1步消元，请输入第1列所选元素所处的行数：2(2)(2)8.0000 6.0000 1.000015.0000-3.50000.7500-4.250008.0000 6.0000 1.000015.0000[]8.0000 6.000015.00008.0000 1.00006.0000 1.000015.00008.0000 6.000014.0000A b ⎡⎤⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦第2步消元，请输入第2列所选元素所处的行数：3…（实际选择时，第k步选择主元处于第k+1行）最终计算得x=[1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1]T(4)A分别为幻方矩阵，Hilbert矩阵，pascal矩阵和随机矩阵简要分析计算(1)表明：对于同一矩阵，不同范数定义的条件数是不同的；Gauss消去法在消去过程中选择模最大的主元能够得到比较精确的解。

线性方程组的4种迭代方法雍龙泉【摘要】研究了线性方程组的4种迭代方法———Jacobi迭代、Gauss-Seidel 迭代、HSS迭代、Richardson迭代，给出了4种迭代方法收敛的充分条件。

数值实验进一步表明，在大规模线性方程求解时，迭代矩阵谱半径的大小决定算法的收敛速度；在谱半径小于1的前提下，谱半径越小，则收敛速度越快。

%Four iterative methods to linear systems , such as Jacobi , Gauss-Seidel, HSS, and Richard-son iterative , are studied , and sufficient conditions for the convergence of these iterative methods are given . Numerical experiments further show that the size of spectral radius of iterative matrix determines convergence rate in solving large-scale linear systems .Under the premise of spectral radius of iterative matrix less than 1, the smaller the spectral radius , the faster convergence speed .【期刊名称】《陕西理工学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(032)005【总页数】5页(P80-84)【关键词】线性方程组;Jacobi迭代;Gauss-Seidel迭代;HSS迭代;Richardson迭代;谱半径【作者】雍龙泉【作者单位】陕西理工大学数学与计算机科学学院，陕西汉中723000【正文语种】中文【中图分类】O151.2考虑如下线性方程组记当矩阵A∈Rn×n非奇异时，方程组Ax=b具有唯一解。

高等工程数学南京理工大学智慧树知到答案2024年第一章测试1.有限维线性空间上范数1,范数2之间的关系是A:2强于1 B:等价 C:1强于2 D:无法比较答案:B2.赋范线性空间成为Banach空间，需要范数足？A:完备性 B:可加性 C:不变性 D:非负性答案:A3.标准正交系是一个完全正交系的充要条件是满足Parseval等式A:错 B:对答案:B4.在内积空间中，可以从一组线性无关向量得到一列标准正交系A:对 B:错答案:A5.矩阵的F范数不满足酉不变性A:错 B:对答案:A6.与任何向量范数相容的矩阵范数是？A:F范数 B:极大行范数 C:算子范数 D:极大列范数答案:C7.正规矩阵的谱半径与矩阵何种范数一致A:极大行范数 B:极大列范数 C:矩阵2范数 D:算子范数答案:C8.矩阵收敛，则该矩阵的谱半径A:无从判断 B:大于1 C:小于1 D:等于1答案:C9.矩阵幂级数收敛，则该矩阵的谱半径A:等于1 B:大于1 C:无从判断 D:小于1答案:D10.正规矩阵的条件数等于其最大特征值的模与最小特征值的模之商A:错 B:对答案:B第二章测试1.l矩阵不变因子的个数等于( )A:矩阵的列数 B:矩阵的秩 C:行数和列数的最小值 D:矩阵的行数答案:B2.Jordan标准形中Jordan块的个数等于( )A:矩阵的秩 B:行列式因子的个数 C:不变因子的个数 D:初等因子的个数答案:D3.Jordan块的对角元等于其( )A:初等因子的零点 B:初等因子的次数 C:不变因子的个数 D:行列式因子的个数答案:A4.n阶矩阵A的特征多项式等于( )A:A的n个不变因子的乘积 B:A的n阶行列式因子 C:A的行列式因子的乘积 D:A的次数最高的初等因子答案:AB5.下述条件中，幂迭代法能够成功处理的有( )A:主特征值有两个，是一对共轭的复特征值 B:主特征值有两个，是一对相反的实数 C:主特征值是实r重的 D:主特征值只有一个答案:ABCD6.n阶矩阵A的特征值在( )A:A的n个行盖尔圆构成的并集与n个列盖尔圆构成的并集的交集中 B:A的n个列盖尔圆构成的并集中 C:A的n个行盖尔圆构成的并集中 D:都不对答案:ABC7.不变因子是首项系数为1的多项式A:错 B:对答案:B8.任意具有互异特征值的矩阵，其盖尔圆均能分隔开A:对 B:错答案:B9.特征值在两个或两个以上的盖尔圆构成的连通部分中分布是平均的A:错 B:对答案:A10.规范化幂迭代法中，向量序列uk不收敛A:对 B:错答案:B第三章测试1.二阶方阵可作Doolittle分解A:错 B:对答案:A2.若矩阵A可作满秩分解A=FG,则F的列数为A的（）A:列数B:都不对C:秩D:行数答案:C3.矩阵的满秩分解不唯一.A:错 B:对答案:B4.酉等价矩阵有相同的奇异值.A:对 B:错答案:A5.求矩阵A的加号逆的方法有（）A:满秩分解 B:Greville递推法 C:奇异值分解 D:矩阵迭代法答案:ABCD6.若A为可逆方阵，则A:错 B:对答案:B7.用A的加号逆可以判断线性方程组Ax=b是否有解？A:对 B:错答案:A8.A的加号逆的秩与A的秩相等A:错 B:对答案:B9.若方阵A是Hermite正定矩阵，则A的Cholesky分解存在且唯一.A:错 B:对答案:B10.是Hermite标准形.A:错 B:对答案:A第四章测试1.（）是利用Gauss消去法求解线性方程组的条件.A:系数矩阵的顺序主子式均不为0B:系数矩阵满秩C:所有主元均不为0D:都不对答案:AC2.关于求解线性方程组的迭代解法, 下面说法正确的是（）.A:J法和GS法的敛散性无相关性B:若迭代矩阵谱半径不大于1, 则迭代收敛C:若系数矩阵A对称正定, 则GS迭代法收敛D:都不对答案:AC3.如果不考虑舍入误差, （）最多经n步可迭代得到线性方程组的解.A:SOR法B:共轭梯度法C:最速下降法D:都是答案:B4.关于共轭梯度法, 下面说法正确的是（）A:相邻两步的残量正交 B:相邻两步的搜索方向正交 C:搜索方向满足A共轭条件 D:B和C都对答案:D5.下面哪些是求解线性方程组的迭代解法（）.A:共轭梯度法 B:三角分解解法 C:ABC都对 D:最速下降法答案:AD6.若系数矩阵A对称正定, 则（）A:J法和GS法均收敛B:都不对 C:可用Cholesky法求解线性方程组D:SOR法收敛答案:C7.任意线性方程组都可以通过三角分解法求解.A:错 B:对答案:A8.最速下降法和共轭梯度法的区别在于选取的搜索方向不同.A:错 B:对答案:B9.广义逆矩阵法可用于任意线性方程组的求解.A:对 B:错答案:A10.Gauss消去法和列主元素法的数值稳定性相当.A:错 B:对答案:A第五章测试1.对于凸规划，如果x为问题的KKT点，则其为原问题的全局极小点A:对 B:错答案:A2.对于无约束规划问题，如果海塞阵非正定，我们可采用哪种改进牛顿法求解原问题？A:难以处理 B:构造一对称正定矩阵来取代当前海塞阵，并一该矩阵的逆乘以当前梯度的负值作为方向 C:牛顿法 D:阻尼牛顿法答案:B3.共轭梯度法中，为A:FR公式 B:DY公式 C:DM公式 D:PRP公式答案:A4.内点罚函数法中常用的障碍函数有A:三种都可以B:二次函数C:倒数障碍函数D:对数障碍函数答案:CD5.广义乘子罚函数的优点是在罚因子适当大的情形下，通过修正拉格朗日乘子就可逐步逼近原问题的最优解？A:错 B:对答案:B6.分子停留在最低能量状态的概率随温度降低趋于( ).A:2 B:3 C:0 D:1答案:D7.模拟退火算法内循环终止准则可采用的方法.A:固定步数 B:温度很低时 C:接受概率很低时 D:由接受和拒绝的比率控制迭代步答案:AD8.背包问题是组合优化问题吗？A:错 B:对答案:B9.单纯形算法是求解线性规划问题的多项式时间算法.A:对 B:错答案:B10.对于难以确定初始基本可行解的线性规划问题，我们引入人工变量后，可采用哪些方法求解原问题？A:单纯形法 B:无法确定 C:两阶段法 D:大M法答案:CD第六章测试1.如果不限定插值多项式的次数，满足插值条件的插值多项式也是唯一的（）A:错 B:对答案:A2.改变节点的排列顺序，差商的值不变（）A:错 B:对答案:B3.Hermite插值只能用插值基函数的方法求解（）A:错 B:对答案:A4.在最小二乘问题中，权系数越大表明相应的数据越重要（）A:错 B:对答案:B5.加窗傅里叶变换时频窗的长宽比是信号自适应的（）A:对 B:错答案:B6.傅里叶变换域的点和时间域上的点是一一对应的（）A:对 B:错答案:B7.若f(t)的傅里叶变换为，则 f(2t)的傅里叶变换为 ( )A: B: C:答案:B8.小波函数对应了（）A:低通滤波器 B:高通滤波器答案:B第七章测试1.有界区域上的弦振动方程定解问题可以用傅里叶积分变换法求解。

function[x,k]=GaussSeidel(A,b,x0,eps,M)%高斯赛德尔迭代法求方程组的解(矩阵公式求解)%A 为方程组的系数矩阵； b 为方程组的右端项%x 为线性方程组的解了； x0 为迭代初值%eps 为误差限； M 为迭代的最大次数if nargin==3eps= 1.0e-6;%默认精度M = 10000;%参数不足时默认后两个条件elseif nargin ==4M = 10000;%参数的默认值elseif nargin<3error('参数不足');returnend[n,m]=size(A);nb=length(b);%当方程组行与列的维数不相等时，停止计算，并输出出错信息if n~=merror('矩阵 A 行数和列数必须相等!');return;end%当方程组与右端项的维数不匹配时，停止计算，并输出出错信息if n~=nberror('矩阵 A 的行数必须和 b 的长度相等!');return;endL =zeros(n,n);U =zeros(n,n);D =zeros(n,n);for i=2:nfor j=1:i-1L(i,j)=-A(i,j);endendfor i=1:n-1for j=i+1:nU(i,j)=-A(i,j);endendfor i=1:nD(i,i)=A(i,i);endB=inv(D-L)*U; g=inv(D-L)*b;%B 为迭代矩阵%g 为右端项pr=max(abs(eig(B))); % 求迭代矩阵谱半径if pr>=1error('迭代矩阵谱半径大于 1 迭代法不收敛');return;endk=0;tol=1;while tol>=epsx = B*x0+g;k = k+1; %迭代步数tol = norm(x-x0);% 前后两步迭代结果的误差x0 = x;if(k>=M)disp('Warning: 迭代次数太多，可能不收敛！ ');return;endend。