向量与矩阵范数, 误差分析.ppt

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1、1,第五章,线性方程组直接解法,向量与矩阵范数 矩阵条件数,2,内容提要,矩阵基础 Gauss 消去法 矩阵三角分解 向量与矩阵范数 误差分析,3,本讲内容,定义、常见向量范数、性质,向量范数,定义、常见矩阵范数、性质,矩阵范数,矩阵条件数,4,向量范数,定义:设函数 f:Rn R,若 f 满足 f(x)0,xRn,等号当且仅当 x=0 时成立(正定性)f(x)=|f(x),xRn,R(齐次性)f(x+y)f(x)+f(y)(三角不等式)则称 f 为 Rn 上的(向量)范数,通常记为|,向量范数,向量内积(数量积),定义与性质、Cauchy-Schwarz不等式 导出范数(欧氏范数),5,常见

2、向量范数,Rn 空间上常见的向量范数,1-范数:,2-范数:,-范数(有时也称最大范数):,p-范数:,6,范数性质,范数的性质,(1)连续性,定理:设 f 是 Rn 上的任一向量范数,则 f 关于 x 的每个分量连续。,(2)等价性,定理:设|s 和|t 是 Rn 上的任意两个范数,则存在常数 c1 和 c2,使得对任意的 xRn 有,证明:板书,证明:板书,7,定理:设|是 Rn 上的任意一个向量范数,则,范数性质,(3)Cauchy-Schwarz 不等式,(4)向量序列的收敛性,定理:,证明:略,定义:设 是 Rn 中的一个向量序列,其中 如果,则称 收敛到,记为,证明:板书,8,矩阵

3、范数,定义:设函数 f:Rnn R,若 f 满足 f(A)0,A Rnn,且 f(A)=0 A=0(正定性)f(A)=|f(A),ARn,R(齐次性)f(A+B)f(A)+f(B)(三角不等式)f(AB)f(A)f(B)(相容性)则称 f 为 Rnn 上的(矩阵)范数,通常记为|,矩阵范数,9,常见矩阵范数,常见的矩阵范数,(1)F-范数(Frobenious 范数),(2)算子范数(从属范数、诱导范数),其中|是 Rn 上的任意一个范数,10,算子范数,常见的算子范数,-范数(行范数),2-范数(谱范数),1-范数(列范数),证明:板书,为作业,11,算子范数举例,例:设 计算,解:板书,1

4、2,矩阵范数性质,矩阵范数的性质,(1)连续性:设 f 是 Rnn 上的任一矩阵范数,则 f 关于 A 的每个分量是连续的。,(2)等价性:设|s 和|t 是 Rnn 上的任意两个矩阵范数,则存在常数 c1 和 c2,使得对任意的 A Rnn 有,(3)若 A 是对称矩阵,则,证明:略,证明:略,证明:练习,13,算子范数性质,算子范数的性质,定理:对任意 0,总存在一算子范数|,使得|A|(A)+,证明:略,定理:设|是任一算子范数,则,证明:板书,注:该性质对 F-范数也成立。,14,定理:设|是 Rn 上的任一向量范数,其对应的算子范数也记为|,则有,算子范数性质,算子范数的性质,该性质

5、就是矩阵范数与向量范数的相容性,证明:直接由算子范数定义可得,定理:设|是任一算子范数,若|B|1,则 IB 非奇异,且,证明:板书,15,病态矩阵,定义:考虑线性方程组 Ax=b,如果 A 或 b 的微小变化会导致解的巨大变化,则称此线性方程组是病态的,并称矩阵 A 是病态的,反之则是良态的。,什么是病态矩阵,例:,16,矩阵条件数,定义:设 A 非奇异,则称为 A 的条件数,其中|v 是 1-范数,2-范数或-范数。,如何判别矩阵是否病态 矩阵的条件数,定理:考虑线性方程组 Ax=b,设 A 是精确的,b 有微小的变化 b,此时的解为 x+x,则,证明:板书,17,矩阵条件数,定理:考虑线

6、性方程组 Ax=b,设 b 是精确的,A 有微小的变化 A,此时的解为 x+x。假定,则,当 A 充分小时,不等式右端约为,证明:板书,一般来说,当 A 的条件数较大时,A 就是病态的 条件数越大,病态越严重,此时就越难用一般方法求得线性方程组比较精确的解。,18,矩阵条件数,条件数与范数有关,常用的有无穷范数和2-范数,注:Cond(A)2 称为谱条件数,当 A 对称时有,19,条件数性质,条件数的性质,Cond(A)1 Cond(A)=Cond(A),其中 为任意非零实数 若 R 是正交矩阵,则 Cond(R)2=1 若 R 是正交矩阵,则对任意非奇异矩阵 A,有 Cond(AR)2=Cond(RA)2=Cond(A)2,20,举例,例:计算 Cond(A)和 Cond(A)2,解:,Cond(A)=|A-1|A|4104,Cond(A)2=max/min 4104,A 对称,且,21,举例,例:计算 Cond(Hk)其中 Hk 为 k 阶 Hilbert 矩阵,解:,k=1 时,Cond(H1)=1,k=2 时,,Cond(H2)=27,k=3 时,,Cond(H3)=748,Cond(H4)=28375,Cond(H10)=3.51013,

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