АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция

Вычисление всех собственных значений положительно определенной симметричной матрицы

Читайте также:
  1. A)нахождение средней из двух соседних средних, для отнесения полученного результата к определенной дате
  2. I. Определение ранга матрицы
  3. I. Случайные величины с дискретным законом распределения (т.е. у случайных величин конечное или счетное число значений)
  4. II. Умножение матрицы на число
  5. II. Элементарные преобразования. Эквивалентные матрицы.
  6. SWOT- анализ и составление матрицы.
  7. Абсолютная и условная сходимость несобственных интегралов.
  8. Алгоритм вычисления обратной матрицы.
  9. Алгоритм вычисления обратной матрицы.
  10. Алгоритм Гаусса вычисления ранга матрицы
  11. Алгоритм нахождения обратной матрицы
  12. Алгоритм определения наибольшего по модулю собственного значения и соответствующего собственного вектора матрицы с положительными элементами.

Приведем алгоритм для вычисления нескольких первых или всех собственных значений и соответствующих собственных векторов положительно определенной симметричной матрицы.

Пусть уже вычислены первые m собственных значений λ1, λ2, …, λ m и m соответствующих собственных векторов x 1, x 2, …, x m.

Алгоритм вычисления очередного (m + 1)-го собственного значения и соответствующего собственного вектора.

0. Выберем начальное приближение ; k = 0;

1. Вычисляем k -е приближение к собственному значению λ m +1:

 

; (3.42)

2. Находим вектор из уравнения

 

; (3.43)

 

3. Если m > 0 ортогонализируем вектор к первым m собственным векторам

 

(3.44)

 

4. Нормируем полученный вектор

 

(3.45)

 

5. k = k + 1;

Процесс 1. —5. повторяется до тех пор, пока не будет выполнено условие сходимости итераций

, (3.46)

 

где ε – заданная погрешность.

 

При вычислении первого собственного значения и соответствующего вектора пункт 3) пропускается.

Этим алгоритмом можно вычислить все собственные значения и собственные векторы.

Пример 3.11. Найти все собственные значения и соответствующие собственные векторы матриц:

 

1) .

Решение с помощью программы на языке C ++. Реализуем алгоритм (3.42) — (3.46) на языке C ++ и проверим программу на данном примере, сравнивая полученный результат с ответами из примеров 3.9, 3.10.

Текст программы приведен ниже:

 

#include <iostream.h>

#include <except.h>

#include <stdlib.h>

#include <math.h>

int Eigen(long double **a, long double **x, long double *eigv,

long double eps, const int n, int k_max);

long double s_prod(long double *x1, long double *x2, const int n);

int gauss(long double **a, long double *b, long double *x, const int n);

int main(){

long double **a, **x, *eigv, eps; int i,j,n,k_max;

cout <<"\n input n = "; cin >> n;

cout <<"\n input k_max = "; cin >> k_max;

cout <<"\n input eps = "; cin >> eps;

try {

a = new long double*[n]; for(i=0;i<n;i++) a[i]=new long double[n];

x = new long double*[n]; for(i=0;i<n;i++) x[i]=new long double[n];

eigv = new long double[n];

}

catch (xalloc){cout <<"\nCould not allocate\n"; exit(-1);}

cout <<"\n input matrix a: \n";

for (i=0; i<n; i++)for (j=0; j<n; j++)cin >> a[i][j];

cout <<"\n matrix a:";

for (i=0; i<n; i++){

cout << "\n ";for (j=0; j<n; j++)cout <<" "<< a[i][j];}

Eigen(a, x, eigv, eps, n, k_max);

for(i = 0; i < n; i++)cout << "\n Eigen Value [" << i << "] = " << eigv[i];

cout << "\n Eigen Vectors: ";

for (i=0; i<n; i++){

cout <<"\n "; for (j=0; j<n; j++) cout << " " << x[i][j];}

cout <<"\n ";

cin >> i; // for pause

for(i = 0; i < n; i++) delete[] a[i];

delete a;

for(i = 0; i < n; i++) delete[] x[i];

delete x;

delete[] eigv;

return 0;

}//end main --------------------------------------------------------------

int Eigen(long double **a, long double **x, long double *eigv,

long double eps, const int n, int k_max){

int i, j, k, m;

long double **a1,*x0,*x1,*alf, xerr, xnrm, eig0, eig1,s;

a1 = new long double*[n]; for(i=0;i<n;i++) a1[i]=new long double[n];

x0 = new long double[n]; x1 = new long double[n];

alf = new long double[n];

for(m = 0; m < n; m++){

// 0.

k = 0; for(i = 0; i < n; i++)x0[i] = 1.; eig0 = 0;

do {

// 1.

for(i = 0; i < n; i++){s = 0;

for(j = 0; j < n; j++)s += a[i][j]*x0[j]; x1[i] = s;}

eig1 = s_prod(x1,x0,n)/s_prod(x0,x0,n);

// 2.

for(i = 0; i < n; i++)x1[i] = eig1*x0[i];

for(i = 0; i < n; i++)

for(j = 0; j < n; j++)a1[i][j] = a[i][j];

gauss(a1,x1,x0,n);

// 3.

if(m > 0){

for(j = 0; j < m; j++){

for(i = 0; i < n; i++)x1[i] = x[i][j];

alf[j] = s_prod(x0,x1,n)/s_prod(x1,x1,n);

}

for(i = 0; i < n; i++)

for(j = 0; j < m; j++)x0[i]= x0[i] - x[i][j]*alf[j];

}// end if

// 4.

xnrm = sqrt(s_prod(x0,x0,n));

for(i = 0; i < n; i++)x0[i] = x0[i] / xnrm;

xerr = fabs(eig1 - eig0); eig0 = eig1;

k = k + 1; if (k > k_max)break;

}while (xerr > eps);

eigv[m] = eig1;

for(i = 0; i < n; i++) x[i][m] = x0[i];

}// end m

for(i = 0; i < n; i++) delete[] a1[i];

delete a1;

delete[] x0;

delete[] x1;

delete[] alf;

return 0;

}// end Eigen

 

long double s_prod(long double *x1, long double *x2, const int n){

long double s; int i; s = 0;

for(i = 0; i < n; i++)s = s + x1[i]*x2[i];

return s;

}// end s_prod

 

int gauss(long double **a, long double *b, long double *x, const int n){

int i, k, m; long double amm, aim;

for (m = 0; m <= n-2; m++) {// m

amm = a[m][m];

for (k = m; k <= n-1; k++)a[m][k] = a[m][k]/amm; // 3.16

b[m] = b[m] / amm; //

for (i = m + 1; i <= n-1; i++){// i

aim = a[i][m];

for (k = m; k <= n-1; k++)

a[i][k] = a[i][k] - a[m][k]*aim; // 3.17

b[i] = b[i] - b[m]*aim; //

}// end i

}// end m

x[n-1] = b[n-1]/a[n-1][n-1]; // 3.19

for (i = n - 2; i >= 0; i--){// i

x[i] = b[i]; //

for (k = i + 1; k < n; k++) // 3.20

x[i] = x[i] - a[i][k]*x[k]; //

}// end i

return 0;

}// end gauss

 

Приведем результаты расчетов:

1) Для матрицы A:

 

Input n = 3

Input k_max = 100

Input eps = 0.001

Input matrix a:

3 1 0 1 2 0 0 0 2

matrix a:

3 1 0

1 2 0

0 0 2

Eigen Value [0] = 1.38279

Eigen Value [1] = 1.99985

Eigen Value [2] = 3.61796

Eigen Vectors:

-0.525551 0.0189405 0.850551

0.850389 -0.0179017 0.52585

0.0251862 0.99966 -0.00669857

 

2) Для матрицы B:

 

Input n = 4

Input k_max = 1000

Input eps = 0.0000001

Input matrix a:

5 -1 0 0 -1 7 4 1 0 4 8 3 0 1 3 7

matrix a:

5 -1 0 0

-1 7 4 1

0 4 8 3

0 1 3 7

Eigen Value [0] = 2.79088

Eigen Value [1] = 4.87123

Eigen Value [2] = 6.31445

Eigen Value [3] = 13.0234

Eigen Vectors:

0.279353 0.861671 0.41803 -0.0688165

0.617008 0.110771 -0.549768 0.552074

-0.660456 0.261569 0.018022 0.703602

0.324131 -0.420517 0.722967 0.442067

 

Приведем для дополнительной проверки правильности работы программы результаты расчета собственных значений и собственных векторов я матрицы B в программе Mathcad:

 

 

 

Сравнив эти результаты, можно сделать вывод о корректности работы программы и правильности алгоритма (3.42) — (3.46).

Замечание. Так как программа носит учебный характер, интерфейс программы сделан простым, достаточным на наш взгляд для понимания алгоритма. В частности, если размерность матрицы больше четырех, то вывод матрицы на экран может быть не таким наглядным (строка матрицы может не поместиться в одну строку экрана). В этом случае студентам предлагается изменить программу в соответствующей части.


1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |

Поиск по сайту:



Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Студалл.Орг (0.016 сек.)