北航数值分析课程第一次大作业讲解

《数值分析A》计算实习题目第一题一．算法设计方案：1.矩阵A的存储与检索将带状线性矩阵A[501][501]转存为一个矩阵MatrixC[5][501] .由于C语言中数组角标都是从0开始的，所以在数组MatrixC[5][501]中检索A的带内元素a ij的方法是：A的带内元素a ij=C中的元素c i-j+2,j2.求解λ1，λ501，λs①首先分别使用幂法和反幂法迭代求出矩阵按摸最大和最小的特征值λmax和λmin。

λmin即为λs；如果λmax>0,则λ501=λmax；如果λmax<0,则λ1=λmax。

②使用带原点平移的幂法（mifa（）函数），令平移量p=λmax，求出对应的按摸最大的特征值λ，max，如果λmax>0,则λ1=λ，max+p；如果λmax<0,则λ501=λ，max+p。

3.求解A的与数μk=λ1+k（λ501-λ1）/40的最接近的特征值λik （k=1,2，…，39）。

使用带原点平移的反幂法，令平移量p=μk，即可求出与μk最接近的特征值λik。

4.求解A的（谱范数）条件数cond（A）2和行列式d etA。

①cond（A）2=|λ1/λn|，其中λ1和λn分别是矩阵A的模最大和最小特征值。

②矩阵A的行列式可先对矩阵A进行LU分解后，detA等于U所有对角线上元素的乘积。

二．源程序(VS2010环境下，C++语言)#include<stdio.h>#include<iostream>#include<stdlib.h>#include<math.h>#include<float.h>#include<iomanip>#include<time.h>#define E 1.0e-12 /*定义全局变量相对误差限*/int max2(int a,int b) /*求两个整型数最大值的子程序*/{if(a>b)return a;elsereturn b;}int min2(int a,int b) /*求两个整型数最小值的子程序*/{if(a>b)return b;elsereturn a;}int max3(int a,int b,int c) /*求三整型数最大值的子程序*/{ int t;if(a>b)t=a;else t=b;if(t<c) t=c;return(t);}void assignment(double array[5][501]) /*将矩阵A转存为数组C[5][501]*/ {int i,j,k;//所有元素归零for(i=0;i<=4;){for(j=0;j<=500;){array[i][j]=0;j++;}i++;}//第0,4行赋值for(j=2;j<=500;){k=500-j;array[0][j]=-0.064;array[4][k]=-0.064;j++;}//第1,3行赋值for(j=1;j<=500;){k=500-j;array[1][j]=0.16;array[3][k]=0.16;j++;}//第2行赋值for(j=0;j<=500;){ k=j;j++;array[2][k]=(1.64-0.024*j)*sin((double)(0.2*j))-0.64*exp((double)(0.1/j));}}double mifa(double u[501],double array[5][501],double p) /*带原点平移的幂法*/ {int i,j; /* u[501]为初始迭代向量*/double a,b,c=0; /* array[5][501]为矩阵A的转存矩阵*/double y[501]; /*p为平移量*/for(;;){a=0;b=0;/*选用第一种迭代格式*/ //求ηk-1for(i=0;i<=500;i++){a=a+u[i]*u[i];}a=sqrt(a);//求y k-1for(i=0;i<=500;i++){y[i]=u[i]/a;}//求u kfor(i=0;i<=500;i++){u[i]=0;for(j=max2(i-2,0);j<=min2(i+2,500);j++){u[i]+=array[i-j+2][j]*y[j];}u[i]=u[i]-p*y[i]; /*引入平移量*/}//求βkfor(i=0;i<=500;i++){b+=y[i]*u[i];}if(fabs((b-c)/b)<=E) /*达到精度水平，迭代终止*/ break;c=b;}return (b+p); /*直接返回A的特征值*/}void chuzhi(double a[]) /*用随机数为初始迭代向量赋值*/ {int i;srand((int)time(0));for(i=0;i<=500;i++){a[i]=(10.0*rand()/RAND_MAX); /*生成0~10的随机数*/ }}void chuzhi2(double a[],int j) /*令初始迭代向量为e i*/{int i;for(i=0;i<=500;i++){a[i]=0;}a[j]=1;}void LU(double array[5][501]) /*对矩阵A进行Doolittle分解*/ { /*矩阵A转存在C[5][501]中*/ int j,k,t; /*分解结果L，U分别存在C[5][501]的上半部与下半部*/ for(k=0;k<=500;k++){for(j=k;j<=min2((k+2),500);j++){for(t=max3(0,k-2,j-2);t<=(k-1);t++){array[k-j+2][j]-=array[k-t+2][t]*array[t-j+2][j];}}if(k<500)for(j=k+1;j<=min2((k+2),500);j++){for(t=max3(0,k-2,j-2);t<=(k-1);t++){array[j-k+2][k]-=array[j-t+2][t]*array[t-k+2][k];}array[j-k+2][k]=array[j-k+2][k]/array[2][k];}}}double fmifa(double u[501],double array[5][501],double p){ /*带原点平移的反幂法*/ int i,j;double a,b,c=0;double y[501];//引入平移量for(i=0;i<=500;i++){array[2][i]-=p;}//先将矩阵Doolittle分解LU(array);for(;;){a=0;b=0;//求ηk-1for(i=0;i<=500;i++){a=a+u[i]*u[i];}a=sqrt(a);//求y k-1for(i=0;i<=500;i++){y[i]=u[i]/a;}//回带过程，求解u kfor(i=0;i<=500;i++){u[i]=y[i];}for(i=1;i<=500;i++){for(j=max2(0,(i-2));j<=(i-1);j++){u[i]-=array[i-j+2][j]*u[j];}}u[500]=u[500]/array[2][500];for(i=499;i>=0;i--){for(j=i+1;j<=min2((i+2),500);j++){u[i]-=array[i-j+2][j]*u[j];}u[i]=u[i]/array[2][i];}//求βkfor(i=0;i<=500;i++){b+=y[i]*u[i];}if(fabs((b-c)/b)<=E) /*达到精度要求，迭代终止*/ break;c=b;}return (p+(1/b)); /*直接返回距离原点P最接近的A的特征值*/ }//主函数int main(){ int i;double d1,d501,ds,d,a;double u[501];double MatrixC[5][501];printf(" 《数值分析》计算实习题目第一题\n");printf(" sy1405317 梁天骄\n");//将矩阵A转存为MatrixCassignment(MatrixC);//用带原点平移的幂法求解λ1，λ501chuzhi(u);d=mifa(u,MatrixC,0);chuzhi(u);a=mifa(u,MatrixC,d);if(d<0){d1=d;d501=a;}else{d501=d;d1=a;}printf("λ1=%.12e\n",d1);printf("λ501=%.12e\n",d501);//用反幂法求λschuzhi(u);ds=fmifa(u,MatrixC,0);p rintf("λs=%.12e\n",ds);//用带原点平移的反幂法求λikfor(i=1;i<=39;i++){a=d1+(i*(d501-d1))/40;assignment(MatrixC);chuzhi(u);d=fmifa(u,MatrixC,a);printf("与μ%02d=%+.12e最接近的特征值λi%02d=%+.12e\n",i,a,i,d);}//求A的条件数d=fabs((d1/ds));printf("A的（谱范数）条件数cond<A>2=%.12e\n",d);//求detAassignment(MatrixC);LU(MatrixC);a=1;for(i=0;i<=500;i++){a*=MatrixC[2][i];}printf("行列式detA=%.12e\n",a);//测试不同迭代初始向量对λ1计算结果的影响。

printf("改变迭代初始向量对λmax计算结果的测试如下：\n");assignment(MatrixC);for(i=0;i<=500;i++){chuzhi2(u,i);d1=mifa(u,MatrixC,0);printf("u%03d,λmax=%+e ",i,d1);if(((i+1)%3)==0)printf("\n");}printf("Press any key to continue\n");getchar();return 0;}三.程序结果：四．分析初始向量选择对计算结果的影响矩阵的初始向量选择，对结果的影响很大，选择不同的初始向量可能会得到的特征值。