Участник:Sergey.protserov/Метод Якоби решения СЛАУ: различия между версиями

Материал из Алговики
Перейти к навигации Перейти к поиску
+= 1.3, 1.4, 1.5
+= 1.6, 1.7, 1.9
Строка 48: Строка 48:
<math>y^{n+1}_{i} = \frac{1}{a_{ii}}\left(f_{i} - \sum_{j=1,\,j \ne i}^{m}a_{ij}y^{n}_{j}\right),\quad i = 1,\,\dots,\,m</math>.
<math>y^{n+1}_{i} = \frac{1}{a_{ii}}\left(f_{i} - \sum_{j=1,\,j \ne i}^{m}a_{ij}y^{n}_{j}\right),\quad i = 1,\,\dots,\,m</math>.


В качестве условия окончания итерационного процесса можно использовать условие <math>\left\lVert y^{n+1} - y^{n}\right\rVert \le \varepsilon</math>, где <math>\varepsilon</math> — заданная точность. Для оценки ошибки можно использовать невязку <math>Ay^{n+1} - f</math>.
В качестве условия окончания итерационного процесса можно использовать условие <math>\left\lVert y^{n+1} - y^{n}\right\rVert \le \varepsilon</math>, где <math>\varepsilon</math> — заданная точность. Кроме того, можно ограничить максимальное число итераций, задав <math>n_{max}</math>. Для оценки ошибки можно использовать невязку <math>Ay^{n+1} - f</math>.


=== Вычислительное ядро алгоритма ===
=== Вычислительное ядро алгоритма ===
Основное время работы алгоритма приходится на последовательные вычисления векторов <math>y^{n+1}</math> по формуле, приведённой в предыдущем пункте, при уже вычисленных в начале работы алгоритма матрице <math>D^{-1}\left(D-A\right)</math> и векторе <math>D^{-1}f</math>.
Основное время работы алгоритма приходится на последовательные вычисления векторов <math>y^{n+1}</math> по формуле, приведённой в предыдущем пункте, при уже вычисленных в начале работы алгоритма матрице <math>D^{-1}A</math> и векторе <math>D^{-1}f</math>.


=== Макроструктура алгоритма ===
=== Макроструктура алгоритма ===
В описываемом алгоритме можно выделить следующие макрооперации:
В описываемом алгоритме можно выделить следующие макрооперации:
# вычисление <math>D^{-1}</math>
# вычисление <math>D^{-1}</math>
# вычисление <math>D^{-1}\left(D-A\right)</math>
# вычисление <math>D^{-1}A</math>
# вычисление <math>D^{-1}f</math>
# вычисление <math>D^{-1}f</math>
# вычисление <math>y^{n+1} = D^{-1}\left(D-A\right)y^{n} + D^{-1}f</math>
# вычисление <math>y^{n+1} = \left(I - D^{-1}A\right)y^{n} + D^{-1}f</math>


Макрооперации 1-3 выполняются единожды, и в силу того, что матрица <math>D</math> — диагональная, занимают лишь незначительную часть времени работы алгоритма.
Макрооперации 1-3 выполняются единожды, и в силу того, что матрица <math>D</math> — диагональная, занимают лишь незначительную часть времени работы алгоритма.


Макрооперация 4 выполняется многократно до наступления сходимости, поэтому она составляет вычислительное ядро алгоритма.
Макрооперация 4 выполняется многократно до наступления сходимости или достижения максимального числа итераций, поэтому она составляет вычислительное ядро алгоритма.
 
Кроме того, если в качестве критерия завершения работы алгоритма используется условие <math>\left\lVert y^{n+1} - y^{n}\right\rVert \le \varepsilon</math>, требуется также вычислять указанную величину. В дальнейшем при описании алгоритма мы будем предполагать, что этот критерий не используется, а используется завершение работы по достижении максимального числа итераций.


=== Схема реализации последовательного алгоритма ===
=== Схема реализации последовательного алгоритма ===
# составить диагональную матрицу <math>D</math>
# составить диагональную матрицу <math>D</math>
# вычислить <math>D^{-1}</math>
# вычислить <math>D^{-1}</math>
# вычислить <math>D^{-1}\left(D-A\right)</math>
# вычислить <math>D^{-1}A</math>
# вычислить <math>D^{-1}f</math>
# вычислить <math>D^{-1}f</math>
# выбрать начальное приближение <math>y_{0}</math>
# выполнять вычисления по формуле <math>y^{n+1} = \left(I - D^{-1}A\right)y^{n} + D^{-1}f</math>, <math>n = 0,\,1,\,\dots,\,n_{max}</math>
# выбрать константу <math>\varepsilon</math>
# пока не выполнено условие <math>\left\lVert y^{n+1} - y^{n}\right\rVert \le \varepsilon</math>, выполнять вычисления по формуле <math>y^{n+1} = D^{-1}\left(D-A\right)y^{n} + D^{-1}f</math>, <math>n = 0,\,1,\,\dots</math>


При этом на <math>n</math>-ом шаге итераций необходимо хранить оба вектора <math>y^{n}</math>, <math>y^{n+1}</math>.
При этом на <math>n</math>-ом шаге итераций необходимо хранить оба вектора <math>y^{n}</math>, <math>y^{n+1}</math>.
=== Последовательная сложность алгоритма ===
Шаг 2 предыдущего пункта требует выполнения <math>m</math> операций деления вещественных чисел, шаг 3 (с учётом того, что матрица <math>D^{-1}</math> — диагональная) требует выполнения <math>m^{2}</math> операций умножения вещественных чисел, аналогично шаг 4 требует <math>m</math> операций умножения, а каждая итерация шага 7 требует <math>m^{2}</math> умножений и <math>m^{2} + 2m</math> сложений/вычитаний.
=== Ресурс параллелизма алгоритма ===
Шаг 2 требует один ярус из <math>m</math> операций деления, шаг 3 требует BEGIN FIXME один ярус из <math>m^{2}</math> операций умножения, шаг 4 требует один ярус из <math>m</math> операций умножения, а каждая итерация шага 7 требует по <math>m</math> ярусов умножений и сложений (в каждом из ярусов — <math>m</math> операций) для выполнения умножения матрицы на вектор <ref name="AW">https://algowiki-project.org/ru/%D0%A3%D0%BC%D0%BD%D0%BE%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%B9_%D0%BD%D0%B5%D0%BE%D1%81%D0%BE%D0%B1%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%BE%D0%B9_%D0%BC%D0%B0%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%86%D1%8B_%D0%BD%D0%B0_%D0%B2%D0%B5%D0%BA%D1%82%D0%BE%D1%80_(%D0%BF%D0%BE%D1%81%D0%BB%D0%B5%D0%B4%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%B2%D0%B5%D1%89%D0%B5%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%B2%D0%B0%D1%80%D0%B8%D0%B0%D0%BD%D1%82)#.D0.A0.D0.B5.D1.81.D1.83.D1.80.D1.81_.D0.BF.D0.B0.D1.80.D0.B0.D0.BB.D0.BB.D0.B5.D0.BB.D0.B8.D0.B7.D0.BC.D0.B0_.D0.B0.D0.BB.D0.B3.D0.BE.D1.80.D0.B8.D1.82.D0.BC.D0.B0</ref> и ещё два яруса по <math>m</math> сложений/вычитаний END FIXME, причём итерации выполняются последовательно.
=== Входные и выходные данные алгоритма ===
Входные данные:
# Вещественная <math>m \times m</math> матрица <math>A</math>, вообще говоря, плотная
# Вещественный <math>m</math>-мерный вектор правой части <math>f</math>
# Вещественный <math>m</math>-мерный вектор начального приближения <math>y^{0}</math>
# Максимальное число итераций алгоритма <math>n_{max}</math>
Выходные данные:
# Вещественный <math>m</math>-мерный вектор приближённого решения <math>y^{n_{max}}</math>


== Литература ==
== Литература ==
<references />
<references />

Версия от 11:50, 21 ноября 2019

Свойства и структура алгоритмов

Общее описание алгоритма

Метод Якоби -- одношаговый стационарный итерационный метод решения СЛАУ вида [math]\displaystyle{ Ay = f }[/math], где [math]\displaystyle{ A = \left( \begin{array}{ccc} a_{11} & \dots & a_{1m} \\ \vdots & \ddots & \vdots \\ a_{m1} & \dots & a_{mm} \\ \end{array} \right) }[/math], [math]\displaystyle{ f = \left( \begin{array}{c} f_{1} \\ \vdots \\ f_{m} \\ \end{array} \right) }[/math], [math]\displaystyle{ y = \left( \begin{array}{c} y_{1} \\ \vdots \\ y_{m} \\ \end{array} \right) }[/math], [math]\displaystyle{ \det A \ne 0 }[/math].

Каноническая форма одношагового стационарного итерационного метода имеет вид [1]: [math]\displaystyle{ B\frac{y^{n+1} - y^{n}}{\tau} + Ay^{n} = f, \quad n = 0,\,1,\,\dots\,, }[/math]

где [math]\displaystyle{ B }[/math] — невырожденная матрица [math]\displaystyle{ m \times m }[/math], [math]\displaystyle{ \tau \in \mathbb{R} }[/math], [math]\displaystyle{ y^{0} }[/math] — заданное начальное приближение. Решение исходной СЛАУ находится приближённо посредством последовательных итераций. На [math]\displaystyle{ n }[/math]-ом шаге находится [math]\displaystyle{ y^{n+1} }[/math] — очередное приближение для искомого решения [math]\displaystyle{ y }[/math].

В методе Якоби [math]\displaystyle{ \tau = 1 }[/math], [math]\displaystyle{ B = D }[/math], где [math]\displaystyle{ D }[/math] — диагональная матрица, элементы которой совпадают с элементами, стоящими на главной диагонали матрицы [math]\displaystyle{ A }[/math].

Достаточным условием сходимости метода является свойство строгого диагонального преобладания у матрицы [math]\displaystyle{ A }[/math]. [2]

Математическое описание алгоритма

В обозначениях предыдущего пункта выражение для [math]\displaystyle{ y^{n+1} }[/math] через [math]\displaystyle{ y^{n} }[/math]: [math]\displaystyle{ y^{n+1} = D^{-1}\left(D-A\right)y^{n} + D^{-1}f }[/math].

В поэлементной записи:

[math]\displaystyle{ y^{n+1}_{i} = \frac{1}{a_{ii}}\left(f_{i} - \sum_{j=1,\,j \ne i}^{m}a_{ij}y^{n}_{j}\right),\quad i = 1,\,\dots,\,m }[/math].

В качестве условия окончания итерационного процесса можно использовать условие [math]\displaystyle{ \left\lVert y^{n+1} - y^{n}\right\rVert \le \varepsilon }[/math], где [math]\displaystyle{ \varepsilon }[/math] — заданная точность. Кроме того, можно ограничить максимальное число итераций, задав [math]\displaystyle{ n_{max} }[/math]. Для оценки ошибки можно использовать невязку [math]\displaystyle{ Ay^{n+1} - f }[/math].

Вычислительное ядро алгоритма

Основное время работы алгоритма приходится на последовательные вычисления векторов [math]\displaystyle{ y^{n+1} }[/math] по формуле, приведённой в предыдущем пункте, при уже вычисленных в начале работы алгоритма матрице [math]\displaystyle{ D^{-1}A }[/math] и векторе [math]\displaystyle{ D^{-1}f }[/math].

Макроструктура алгоритма

В описываемом алгоритме можно выделить следующие макрооперации:

  1. вычисление [math]\displaystyle{ D^{-1} }[/math]
  2. вычисление [math]\displaystyle{ D^{-1}A }[/math]
  3. вычисление [math]\displaystyle{ D^{-1}f }[/math]
  4. вычисление [math]\displaystyle{ y^{n+1} = \left(I - D^{-1}A\right)y^{n} + D^{-1}f }[/math]

Макрооперации 1-3 выполняются единожды, и в силу того, что матрица [math]\displaystyle{ D }[/math] — диагональная, занимают лишь незначительную часть времени работы алгоритма.

Макрооперация 4 выполняется многократно до наступления сходимости или достижения максимального числа итераций, поэтому она составляет вычислительное ядро алгоритма.

Кроме того, если в качестве критерия завершения работы алгоритма используется условие [math]\displaystyle{ \left\lVert y^{n+1} - y^{n}\right\rVert \le \varepsilon }[/math], требуется также вычислять указанную величину. В дальнейшем при описании алгоритма мы будем предполагать, что этот критерий не используется, а используется завершение работы по достижении максимального числа итераций.

Схема реализации последовательного алгоритма

  1. составить диагональную матрицу [math]\displaystyle{ D }[/math]
  2. вычислить [math]\displaystyle{ D^{-1} }[/math]
  3. вычислить [math]\displaystyle{ D^{-1}A }[/math]
  4. вычислить [math]\displaystyle{ D^{-1}f }[/math]
  5. выполнять вычисления по формуле [math]\displaystyle{ y^{n+1} = \left(I - D^{-1}A\right)y^{n} + D^{-1}f }[/math], [math]\displaystyle{ n = 0,\,1,\,\dots,\,n_{max} }[/math]

При этом на [math]\displaystyle{ n }[/math]-ом шаге итераций необходимо хранить оба вектора [math]\displaystyle{ y^{n} }[/math], [math]\displaystyle{ y^{n+1} }[/math].

Последовательная сложность алгоритма

Шаг 2 предыдущего пункта требует выполнения [math]\displaystyle{ m }[/math] операций деления вещественных чисел, шаг 3 (с учётом того, что матрица [math]\displaystyle{ D^{-1} }[/math] — диагональная) требует выполнения [math]\displaystyle{ m^{2} }[/math] операций умножения вещественных чисел, аналогично шаг 4 требует [math]\displaystyle{ m }[/math] операций умножения, а каждая итерация шага 7 требует [math]\displaystyle{ m^{2} }[/math] умножений и [math]\displaystyle{ m^{2} + 2m }[/math] сложений/вычитаний.

Ресурс параллелизма алгоритма

Шаг 2 требует один ярус из [math]\displaystyle{ m }[/math] операций деления, шаг 3 требует BEGIN FIXME один ярус из [math]\displaystyle{ m^{2} }[/math] операций умножения, шаг 4 требует один ярус из [math]\displaystyle{ m }[/math] операций умножения, а каждая итерация шага 7 требует по [math]\displaystyle{ m }[/math] ярусов умножений и сложений (в каждом из ярусов — [math]\displaystyle{ m }[/math] операций) для выполнения умножения матрицы на вектор [3] и ещё два яруса по [math]\displaystyle{ m }[/math] сложений/вычитаний END FIXME, причём итерации выполняются последовательно.

Входные и выходные данные алгоритма

Входные данные:

  1. Вещественная [math]\displaystyle{ m \times m }[/math] матрица [math]\displaystyle{ A }[/math], вообще говоря, плотная
  2. Вещественный [math]\displaystyle{ m }[/math]-мерный вектор правой части [math]\displaystyle{ f }[/math]
  3. Вещественный [math]\displaystyle{ m }[/math]-мерный вектор начального приближения [math]\displaystyle{ y^{0} }[/math]
  4. Максимальное число итераций алгоритма [math]\displaystyle{ n_{max} }[/math]

Выходные данные:

  1. Вещественный [math]\displaystyle{ m }[/math]-мерный вектор приближённого решения [math]\displaystyle{ y^{n_{max}} }[/math]

Литература