Навигация:

Главная Случайная страница Обратная связь ТОП Интересно знать Избранные Новые материалы

Топ:

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов...

Основы обеспечения единства измерений: Обеспечение единства измерений - деятельность метрологических служб, направленная на достижение...

Отражение на счетах бухгалтерского учета процесса приобретения: Процесс заготовления представляет систему экономических событий, включающих приобретение организацией у поставщиков сырья...

Интересное:

Влияние предпринимательской среды на эффективное функционирование предприятия: Предпринимательская среда – это совокупность внешних и внутренних факторов, оказывающих влияние на функционирование фирмы...

Как мы говорим и как мы слушаем: общение можно сравнить с огромным зонтиком, под которым скрыто все...

Дисциплины:

Автоматизация Антропология Археология Архитектура Аудит Биология Бухгалтерия Военная наука Генетика География Геология Демография Журналистика Зоология Иностранные языки Информатика Искусство История Кинематография Компьютеризация Кораблестроение Кулинария Культура Лексикология Лингвистика Литература Логика Маркетинг Математика Машиностроение Медицина Менеджмент Металлургия Метрология Механика Музыкология Науковедение Образование Охрана Труда Педагогика Политология Правоотношение Предпринимательство Приборостроение Программирование Производство Промышленность Психология Радиосвязь Религия Риторика Социология Спорт Стандартизация Статистика Строительство Теология Технологии Торговля Транспорт Фармакология Физика Физиология Философия Финансы Химия Хозяйство Черчение Экология Экономика Электроника Энергетика Юриспруденция

Численные методы решения систем линейных уравнений

2017-11-16

252

0.00 из 5.00 0 оценок

Заказать работу

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 7Следующая ⇒

Постановка задачи

Дана система n алгебраических уравнений с n неизвестными:

(1)

Эту систему можно записать в матричном виде: ,

; ; .

где A - квадратная матрица коэффициентов, X - вектор-столбец неизвестных, B - вектор-столбец свободных членов.

Численные методы решения систем линейных уравнений делятся на прямые и итерационные. Первые используют конечные соотношения для вычисления неизвестных. Пример - метод Гаусса. Вторые основаны на последовательных приближениях. Примеры - метод простой итерации и метод Зейделя.

Метод Гаусса

Метод основан на приведении матрицы системы к треугольному виду. Это достигается последовательным исключением неизвестных из уравнений системы. Сначала с помощью первого уравнения исключается x₁ из всех последующих уравнений. Затем с помощью второго уравнения исключается x₂ из последующих и т.д. Этот процесс называется прямым ходом метода Гаусса и продолжается до тех пор, пока в левой части последнего n -го уравнения не останется лишь один член с неизвестным x _n. В результате прямого хода система принимает вид:

(2)

Обратный ход метода Гаусса состоит в последовательном вычислении искомых неизвестных, начиная с x_n и кончая x₁.

Метод простой итерации и метод Зейделя

Решение систем линейных уравнений с помощью итерационных методов сводится к следующему. Задается начальное приближение вектора неизвестных, в качестве которого обычно выбирается нулевой вектор:

Затем организуется циклический вычислительный процесс каждый цикл которого представляет собой одну итерацию. В результате каждой итерации получается новое значение вектора неизвестных. Итерационный процесс заканчивается, если для каждой i -й компоненты вектора неизвестных будет выполнено условие

(3)

где k - номер итерации, e - заданная точность.

Недостатком итерационных методов является жесткое условие сходимости. Для сходимости метода необходимо и достаточно, чтобы в матрице A абсолютные значения всех диагональных элементов были больше суммы модулей всех остальных элементов в соответствующей строке:

(4)

Если условие сходимости выполнено, то можно организовать итерационный процесс, записав систему (1) в приведенном виде. При этом слагаемые, стоящие на главной диагонали нормируются и остаются слева от знака равенства, а остальные переносятся в правую часть. Для метода простой итерации приведенная система уравнений имеет вид:

(5)

Отличие метода Зейделя от метода простой итерации заключается в том, что при вычислении очередного приближения вектора неизвестных используются уже уточненные значения на этом же шаге итерации. Это обеспечивает более быструю сходимость метода Зейделя. Приведенная система уравнений имеет вид:

(6)

Реализация в пакете Excel

В качестве примера рассмотрим систему уравнений:

Данная система удовлетворяет условию сходимости и может быть решена как прямыми, так и итерационными методами. Последовательность действий (рис.7):

Оформить заголовок в строке 1 «Численные методы решения систем линейных уравнений».

В области D3:H6 ввести исходные данные, как показано на рисунке.

Ввести в ячейку F8 текст заголовка «Метод Гаусса» (выравнивание по центру).

Скопировать исходные данные E4:H6 в область B10:E12. Это - исходные данные для прямого хода метода Гаусса. Обозначим соответствующие строки A1,A2 и A3.

Подготовить место для первого прохода, обозначив в области G10:G12 названия строк B1,B2 и B3.

Ввести в ячейку H10 формулу «=B10/$B$10». Скопировать эту формулу на ячейки I10:K10. Это - нормировка на коэффициент a₁₁.

Ввести в ячейку H11 формулу «=B11-H10*$B$11». Скопировать эту формулу на ячейки I11:K11.

Ввести в ячейку H12 формулу «=B12-H10*$B$12». Скопировать эту формулу на ячейки I12:K12.

Подготовить место для второго прохода, обозначив в области A14:A16 названия строк C1, C2 и C3.

Ввести в ячейку B14 формулу «=H10». Скопировать эту формулу на ячейки C14:E14.

Ввести в ячейку B15 формулу «=H11/$I$11». Скопировать эту формулу на ячейки C15:E15.

Рис. 7

12. Ввести в ячейку В16 формулу «=Н12-В15*$I$12». Скопировать эту формулу на ячейки С16:Е16.

13. Подготовить место для третьего прохода, обозначив в области G14:G16 названия строк D1, D2 и D3.

14. Ввести в ячейку H14 формулу «=В14». Скопировать эту формулу на ячейки I14:К14.

15. Ввести в ячейку H15 формулу «=В15». Скопировать эту формулу на ячейки I15:К15.

16. Ввести в ячейку Н16 формулу «=B16/$D$16». Скопировать эту формулу на ячейки I16:К16.

17. Подготовить место для обратного хода метода Гаусса, введя в ячейки В18, E18 и H18 соответствующие тексты «х3=», «х2=» и «х1=».

18. Ввести в ячейку С18 формулу «=К16». Получим значение переменной х 3.

19. Ввести в ячейку F18 формулу «=К15-J15*К16». Получим значение переменной х 2.

20.Ввести в ячейку I18 формулу «=K10-I10*F18-J10*C18». Получим значение переменной х 1.

21. Ввести в ячейку F21 текст заголовка «Метод простой итерации» (выравнивание по центру).

22. Ввести в ячейку J21 текст «е=» (выравнивание по правому краю).

23. Ввести в ячейку К21 значение точности е (0,0001).

24. Обозначить в области А23:А25 названия переменных.

25. В области В23:В25 задать начальные значения переменных (нули).

26. Ввести в ячейку С23 формулу «=($H$4-$F$4*B24-$G$4*B25)/$E$4». Получим значение переменной х 1 на первой итерации.

27. Ввести в ячейку С24 формулу «=($H$5-$E$5*B23-$G$5*B25)/$F$5». Получим значение переменной х 2 на первой итерации.

28. Ввести в ячейку С25 формулу «=($H$6-$E$6*B23-$F$6*B24)/$G$6». Получим значение переменной х 3 на первой итерации.

29. Ввести в ячейку С26 формулу «=ЕСЛИ(АВS(С23-В23)>$К$21;" "; ЕСЛИ(АВS(С24-В24)>$К$21;" ";ЕСЛИ(АВS(С25-В25)>$К$21;" "; '"корни")))». Это - проверка на достижение заданной точности (при этом печатается сообщение «корни»).

30. Выделить диапазон С23:С26 и скопировать его до столбца К, используя прием протаскивания. При появлении в строке 26 сообщения «корни» соответствующий столбец будет содержать приближенные значения переменных х 1, x 2, x 3, которые являются решением системы уравнений с заданной точностью.

31. В области А27:К42 построить диаграмму, показывающую процесс приближения значений переменных х 1, х 2, x 3 к решению системы. Диаграмма строится в режиме «График», где по оси абсцисс откладывается номер итерации.

32. Ввести в ячейку F43 текст заголовка «Метод Зейделя» (выравнивание по центру).

33. Ввести в ячейку J43 текст «е=» (выравнивание по правому краю).

34. Ввести в ячейку К43 значение точности е(0,0001).

35. Обозначить в области А45:А47 названия переменных.

36. В области В45:В47 задать начальные значения переменных (нули).

37.Ввести в ячейку С45 формулу «=($H$4-$F$4*B46-$G$4*B47)/$E$4». Получим значение переменной х 1 на первой итерации.

38.Ввести в ячейку С46 формулу «=($H$5-$E$5*C45-$G$5*B47)/$F$5». Получим значение переменной х 2 на первой итерации.

39. Ввести в ячейку С47 формулу «=($H$6-$E$6*C45-$F$6*C46)/$G$6». Получим значение переменной x 3,на первой итерации.

40. Ввести в ячейку С48 формулу «=ЕСЛИ(АВ5(С45-В45)>$К$43;" "; ЕСЛИ(АВS(С46-В46)>$К$43;" ";ЕСЛИ{АВS(С47-В47)>$К$43;" ";"корни")))».

41. Выделить диапазон С45:С48 и скопировать его до столбца К, используя прием протаскивания. При появлении в строке 26 сообщения «корни» соответствующий столбец будет содержать приближенные значения переменных х 1, х 2, x 3, которые являются решением системы уравнений с заданной точностью. Видно, что метод Зейделя сходится быстрее, чем метод простой итерации, то есть заданная точность здесь достигается за меньшее число итераций.

42. В области А49:К62 построить диаграмму, показывающую процесс приближения значений переменных х1, х2, x3 к решению системы. Диаграмма строится в режиме «График», где по оси абсцисс откладывается номер итерации.

3.5. Решение задачи межотраслевого баланса (модель Леонтьева)

Основой многих линейных моделей производства является схема межотраслевого баланса. Идея метода впервые в явном виде была сформулирована в работах советских экономистов в 20-х годах и получила затем развитие в трудах В.В Леонтьева по изучению структуры американской экономики. Предположим, что производственный сектор народного хозяйства разбит на п отраслей. Причем каждая отрасль выпускает продукт только одного типа, а разные отрасли выпускают разные продукты. Кроме того, в процессе производства своего вида продукта каждая отрасль нуждается в продукции других отраслей. В качестве примера рассмотрим упрощенную модель межотраслевого баланса, предполагая, что экономика страны состоит из 3-х отраслей (промышленности, сельского хозяйства и транспорта).

Введем следующие обозначения у _i - конечный спрос на продукцию i -й отрасли, х _i - выпуск продукции i -й отрасли. c _ij - доля продукции отрасли i, потребленной в процессе производства продукции отрасли j. В этом случае в соответствии с моделью Леонтьева имеем следующую систему линейных уравнений:

Задача состоит в нахождении неизвестных x ₁, x ₂, x ₃. Остальные величины считаются заданными. Заметим, что все коэффициенты c _ijизменяются в пределах от 0 до 0,3. Это обеспечивает сходимость при использовании итерационных методов.

Последовательность действий при реализации модели в пакете Excel с использованием метода простой итерации (рис. 8).

1. Ввести в ячейку H1 текст заголовка «Модель Леонтьева» (выравнивание по центру).

2. Ввести в ячейку H2 текст «Данные» (выравнивание по центру).

3. В области F4:J7 ввести исходные данные как показано на рисунке.

4. Обозначить в области А9:А12 номер итерации k и названия переменных х 1, х 2, x 3.

5. В области В9:В12 задать начальные значения переменных (нули).

6. В ячейку С9 ввести 1, выделить ячейки В9 и С9 и, используя прием протаскивания, заполнить ряд до столбца О.

7. Ввести в ячейку С10 формулу «=($J$5+$H$5*B11+$I$5*B12)/(1-$G$5)». Получим значение переменной х 1 на первой итерации.

8. Ввести в ячейку С11 формулу «=($J$6+$G$6*B10+$I$6*B12)/(1-$H$6)». Получим значение переменной х 2 на первой итерации.

9. Ввести в ячейку С12 формулу «=($J$7+$G$7*B10+$H$7*B11)/(1-$I$7)». Получим значение переменной х 3 на первой итерации.

10. Выделить диапазон С10:С12 и скопировать его до столбца О, используя прием протаскивания

11. В области A14:O33 построить диаграмму, показывающую процесс приближения значений переменных х 1, х 2, х 3 к решению системы. Диаграмма строится в режиме «Точечная», где по оси абсцисс откладывается номер итерации.

Рис. 8

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 Следующая ⇒
Поделиться с друзьями:

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначенные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой...

Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни...

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим...

Эмиссия газов от очистных сооружений канализации: В последние годы внимание мирового сообщества сосредоточено на экологических проблемах...