Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Линейная алгебра.-1

.pdf
Скачиваний:
1
Добавлен:
20.11.2023
Размер:
10.82 Mб
Скачать

 

 

 

9. ЛИНЕЙНЫЕ ОПЕРАТОРЫ

 

 

171

А налогом

унитарны х операторов в

вещ ественном евклидовом

про­

странстве являю тся ортогональны е операторы .

 

 

 

 

Определение 1

. Л инейны й оператор Р, действую щ ий

в

вещ е­

ственном евклидовом пространстве V , назы вается орт огональным, ес­

ли д л я лю бы х х и у из У вы полняется равенство

 

 

 

 

 

 

(Рх, Ру) =

(х, у).

 

(5.119)

 

Таким

образом,

ортогональны й

оператор

сохраняет

скаляр ­

ное

произведение.

О тсю да непосредственно

следует, что

если

ei,

в 2 , . .

еп— ортонорм ированны й базис евклидова п ространства У,

то Pei, Ре2 , ..., Реп такж е явл яется ортонорм ированны м базисом . В

дальнейш ем условие (5.119) будем н азы вать условием ортогонально ­ сти оператора Р.

С праведливо следую щ ее утверж дение.

Теорема 5.36. Д л я того чтобы линейный оператор Р был ор­ тогональным, необходимо и достаточно, чтобы сущест вовал опера­ тор Р - 1 и было выполнено равенство

 

 

 

Р*

= Р

1,

 

 

(5.120)

где Р* оператор, сопряж енный к

Р,

а Р -1 оператор, обратный

к Р.

 

 

 

 

 

 

 

 

Р —

Д о к а з а т е л ь с т в о .

1)

Н е о б х о д и м о с т ь .

П усть

ортогональны й оператор,

т. е.

вы полняется

условие

(5.119).

П ри ­

м еняя сопряж енны й

оператор

Р*,

это

условие м ож но записать в

виде (Р*Рх, у) = (х, у).

 

 

 

 

 

 

 

Таким

образом,

д л я

лю бы х

х

н у

вы полняется

равен ­

ство ((Р*Р

— 1)х, у)

= 0.

 

 

 

 

 

 

 

Ф иксируя в этом равенстве лю бой элем ент х, считая у произволь­

ным, получим, что линейны й оператор Р*Р I действует по прави ­

лу (Р*Р -

1)х = 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

С ледовательно, Р*Р =

I; соверш енно аналогично мож но убедить­

ся, что РР*

= I. Таким образом, операторы Р* и Р взаим но обратны ,

т. е. условие (5.120) выполнено.

2) Д о с т а т о ч н о с т ь . П усть выполнено условие (5.120). Тогда, оче­

видно, РР* =

Р*Р

= I.

 

 

 

О бращ аясь

к определению

сопряж енного оператора и

используя

только что написанны е соотнош ения, получим д л я лю бы х

х н у ра-

венства (Рх, Ру) =

(х, Р*Ру)

=

(х, 1у) = (х, у).

 

М ы видим,

что

условие (5.119)

вы полнено, следовательно, опера-

тор Р ортогональны й . Теорема доказана.

Введем теперь понятие ортогональной м атрицы Р .

172

 

ГЛ. 5. ЛИНЕЙНЫЕ ОПЕРАТОРЫ

О п р едел ен и е

2. М атрица Р

назы вается о р т о го н а льн о й, если

 

 

 

Р 'Р =

Р Р '

=

/ ,

 

(5.121)

где Р 1— транспонированная м атрица, а I — единичная м атрица.

Если ei, е 2,

...,

е п — ортонорм ированны й базис в евклидовом про­

странстве V , то

оператор Р явл яется

ортогональны м тогда и только

тогда, когда его м атри ц а в базисе {е/,}

ортогональна.

Н епосредственно из

равенства

(5.121)

следует, что если м атри ­

ца Р = (р \) явл яется ортогональной, то

 

 

 

 

 

Е

М

1

при

к

=

I,

 

 

О

при

к

ф

I.

 

 

 

 

В комплексном евклидовом пространстве аналогом ортогональной м атрицы явл яется унит арная м атрица. И менно, м атри ц а U н азы ва­ ется ун ит арной , если вы полняется соотнош ение

U*U = U U * =

/ ,

(5.122)

в котором U * — эрм итово сопряж енная

м атрица, т. е. U* =

U 1, где

штрих означает транспонирование, а черта — комплексное сопряж ение.

Нетрудно показать, что в ортонорм ированном базисе м атри ц а ли ­ нейного оператора U явл яется унитарной тогда и только тогда, когда

оператор U явл яется унитарны м .

В заклю чение рассм отрим д л я прим ера ортогональны е преобразо­

вания в одномерном и двумерном пространствах.

В одномерном случае каж ды й вектор х имеет вид х = <ле, где а

вещ ественное число и е — вектор, порож даю щ ий данное пространство.

Тогда Р е

= Ае,

и так как (Ре, Ре) =

А2(е, е)

= (е,

е),

то

А =

± 1.

Таким

образом , в одномерном случае сущ ествую т д в а ортогональ­

ны х преобразования: Рьх

= х и Р _ х

=

—х.

 

 

 

 

 

В двумерном

случае каж дое ортогональное преобразование опре­

деляется в произвольном ортонорм ированном

базисе

ортогональной

м атрицей

 

порядка

2,

т.

е.

м атрицей

Р

=

(

^

.

И з

усло­

вия Р Р '

=

Р 'Р

=

I следует

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а 2 +

Ъ2

=

1 ,

а 2

=

d2,

Ъ2 = с2,

ас

+

db =

0 , ab

+

cd

= 0 .

 

П олагая а

=

cos tp,

b

= —sin tp, получаем , что к аж д ая ортогональ­

н ая м атри ц а порядка 2 имеет вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р±

 

cos ip

Sliup

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

± sin

±

cos

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9. ЛИНЕЙНЫЕ ОПЕРАТОРЫ

173

причем во второй строке в обоих случаях следует брать либо зн ак + ,

либо зн ак — .

О тметим, что d e ti± = =Ь 1 . О ртогон альн ая м атри ц а Р+ н азы вается

собст вен но й, а ортогон альн ая м атри ц а Р_ — несобст венной.

О ператор Р ь с м атрицей Р+ в ортонорм ированном базисе e i , е 2 осу­

щ ествляет поворот в плоскости e i, е 2 на угол (р.

 

 

Д л я

того чтобы вы яснить,

как действует оператор Р_

с

м атри-

цей

Р_,

введем м атрицу

Q

совпадаю щ ую

с

Р_ при

=

0

, и зам етим , что

Р_ =

QP+. М атрице Q отвечает отраж ение

плоскости относительно оси e i, следовательно, действие оператора Р_ заклю чается в повороте на угол ср и последую щ ем отраж ении .

Зам етим ,

что векторы Р _еi, Д_е2 образую т, в силу ортогонально ­

сти Д_, ортонорм ированны й базис и в этом базисе м атри ц а операто­

р а Р_

совпадает с Q , т. е. явл яется диагональной .

В

общем

случае,

когда ортогональны й оператор Р действует в

n -мерном

евклидовом

пространстве, сущ ествует ортонорм ированны й

базис ei,

е 2,

..., е п, в котором м атри ц а оператора Р имеет вид

(

1

 

 

\

 

1

 

 

 

О

-1

-1

cosipi — s m ^ i

s i n ( p i — c o s ( ^ i

о

V

cos (pk — sm Lpk

sh u p k - cos (pk J

Вэтой м атрице все элементы , кром е вы писанны х, равны нулю . Таким образом , в некотором ортонорм ированном базисе действие

ортогонального оператора сводится к последовательны м поворотам и

отраж ен и ям относительно координатны х осей.

Г Л А В А б

И Т Е Р А Ц И О Н Н Ы Е М Е Т О Д Ы Р Е Ш Е Н И Я Л И Н Е Й Н Ы Х С И С Т Е М И З А Д А Ч Н А С О Б С Т В Е Н Н Ы Е З Н А Ч Е Н И Я

В настоящ ей главе изучаю тся различны е м етоды реш ения системы линейны х уравнений с вещ ественны ми коэф ф ициентам и относительно неизвестны х, такж е принимаю щ их вещ ественны е значения.

Все используемы е на п рактике методы реш ения систем линейны х уравнений мож но раздели ть на две больш ие группы : т очны е методы

иит ерационны е методы .

Под т о ч н ы м методом реш ения поним ается метод, теоретически позволяю щ ий получить точны е значения неизвестны х в результате

проведения конечного

числа ариф м етических

операций. П римером

точного м етода м ож ет

служ ить излож енны й в

гл. 3 метод, основан­

ный на применении ф орм ул К р ам ер а *).

И т ерационны е методы позволяю т получить искомое реш ение лиш ь в виде предела последовательности векторов, построение которы х про­ изводится в помощ ью единообразного процесса, назы ваем ого процес­ сом итераций (последовательны х приближ ений). И терационны е мето­

ды весьм а удобны д л я использования современной вы числительной

техники.

И злож ению наиболее употребительны х итерационны х методов ре­

ш ения линейны х систем посвящ ен § 1 настоящ ей главы .

И терационны е методы находят ш ирокое применение и при реш е­

нии другой

важ н ой

вы числительной задачи

линейной

алгебры — так

назы ваем ой

полной

проблем ы собст венны х

зн а чен и й

(так назы ваю т

проблему оты скания всех собственны х значений и отвечаю щ их им соб­ ственны х векторов заданной м атрицы 12) ). В итерационны х м етодах

1)П рактически метод, основанный на ф ормулах Крамера, обычно не приме­ няется, ибо он требует проведения очень большого числа арифметических операций

изаписей. Более удобным является точный метод, основанный на последователь­ ном исключении неизвестных и называемый методом Гаусса (его изложение мож ­ но найти, например, в книге Д .К . Ф аддеева и В.Н. Фаддеевой «Вычислительные методы линейной алгебры», Гостехиздат, 1963, гл. 2).

2)В отличие от этой проблемы, задачу отыскания некоторых (например, наи­ больших по модулю) собственных значений заданной матрицы называю т частич-

§ 1. МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ

175

собственны е значения вы числяю тся как пределы некоторы х числовы х последовательностей без предварительного определения коэф ф и ц и ен ­ тов характеристического м ногочлена.

В § 2 настоящ ей главы разбирается один из самы х важ н ы х (наибо­ лее употребительны х на ЭВМ ) итерационны х методов реш ений полной проблемы собственны х значений — так назы ваем ы й м ет од вращ ений

(или

м ет од Я коби). Э тот метод применим ко

всякой сим м етричной

(или

к эрмитовой) м атрице, легко реализуется

на ЭВМ и всегда схо­

дится. Он устойчив по отнош ению к ош ибкам округления результатов

п ром еж уточны х вы числений и обладает тем зам ечательны м свойст­

вом, что наличие кратн ы х и близких друг к другу собственны х значе­ ний не только не зам едляет его сходимости, а напротив, ускоряет ее.

М етод вращ ений, предлож енны й

Я коби и известны й еще с середины

прош лого века, долгое врем я не

находил практического прим енения

из-за больш ого объем а вы числений, необходимых д л я его реализации . И лиш ь появление бы стродействую щ их электронны х вы числительны х м аш ин сделало его самы м эф ф екти вн ы м методом реш ения полной про­ блемы собственны х значений сим м етричны х и эрм итовы х м атриц.

§ 1. И терационны е м етоды р еш ен ия линейны х систем

I. М етод простой

итерации (метод

Я коби). Рассм отрим

к в ад ­

ратную

систему линейны х уравнений с вещ ественны ми коэф ф и ц и ен ­

тами (3.10) (см. и. 1 § 2

гл .З ), которую запиш ем

в

м атричном

виде

 

 

А Х

=

F,

 

 

 

 

 

(6.1)

поним ая под А основную м атрицу системы

 

 

 

 

 

 

 

« п

« 1 2

 

« 1 п

 

 

 

 

 

 

А =

« 2 1

« 2 2

 

« 2 п

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

« п 1

« п 2

• •

« п п

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

XI

 

 

h

 

 

а под X

и F векторы -столбцы вида X

=

Х2

F

=

/ 2

, первы й

,

 

 

 

 

 

 

Хп

 

 

fn

 

 

из которы х подлеж ит определению , а второй задан .

ной проблемой собственных значений.

176 ГЛ. 6. ИТЕРАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ

П редлагая однозначную разреш им ость системы (6.1), зам еним м ат­

ричное уравнение

(6

.1 )

эквивалентны м

ему м атричны м

уравнени ­

ем X — X — т А Х

+

T F ,

в

котором через т обозначено вещ ественное

число, обы чно назы ваем ое ст ационарны м парамет ром .

 

С помощ ью этого последнего уравнения составим итерационную

последовательность векторов { Х к},

определив ее рекуррентны м соот­

нош ением

 

 

 

 

 

 

 

Х к + 1 =

Х к

-

т А Х к

+ T F

= 0, 1, . .. )

(6.3)

при произвольном вы боре «нулевого» приближ ения X Q.

М етод простой итерации заклю ч ается в замене точного реш ения X

системы

(6.1) к - й итерацией Х к с достаточно больш им номером к.

О ценим

погреш ност ь Z k = Х к X м етода простой итерации.

И з соотнош ений (6.3) и (6.1) сразу ж е вы текает следую щ ее м атри ч ­

ное уравнение д л я погреш ности

Z k \

 

Zk + 1 =

{Е - r A ) Z k ,

(6.4)

где Е — единичная м атри ц а порядка п.

Введем в рассм отрение норму вектора в пространстве Е п и опера­

торную норму квадратн ой м атрицы порядка п. К а к обы чно, назовем

норм ой вект ора X число ||Х ||, равное корню квад ратн ом у из суммы

квад ратов координат этого вектора. Н азовем операторной нормой про­

извольной м атрицы А число ||И ||, равное либо точной верхней грани

отнош ения ||А Х ||/||Х || на множ естве всех ненулевы х векторов X , либо (что то ж е самое) точной верхней грани норм ||И Х || на м нож естве всех векторов X , имею щ их норму, равную единице.

И так, по определению

 

 

1ДН = SUP

l “F jr -

(6 -5)

Х ф о

1 1 4 1

 

Н апомним, что д л я лю бой сим м етричной м атрицы А 3)

оператор ­

н ая норм а этой м атрицы р авн а наибольш ему по модулю собственному значению этой м атрицы (см. п. 4 § 5 гл. 5), т. е.

 

\\А\\ =

ш ах |Ав|.

(6 .6 )

 

 

S

 

И з (6.5)

вы текает следую щ ее неравенство, справедливое д л я лю бой

м атрицы А

и лю бого вектора X :

 

 

 

\\А Х \\ ^

\\А\\ ||Ч |.

(6.7)

3) М атрица А называется симметричной, если А = А ' .

§ 1. МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ

177

И з м атричного уравнения д л я погреш ности (6.4) и из неравенства (6.7) мы получим, что д л я лю бого ном ера к

 

 

\\Zk + i\\

< \\Е

-

т А \\\\гк \\.

 

(6 .8 )

Д окаж ем теперь следую щ ую простую , но важ ную теорему.

 

Т еорем а

6.1. Д л я

того

чтобы

ит ерационная

последоват ель­

ност ь (6.3) при лю бом

выборе нулевого п р и б ли ж ен и я

X Q и при дан­

ном

зн а чен и и

парамет ра т сходилась

к т очном у реш ению X

сист е­

м ы

(6 .1 ), дост ат очно,

чтобы было вы полнено условие

 

 

 

 

 

р =

\\Е

-

тА\\ < 1 .

 

(6.9)

П ри эт ом последоват ельност ь

(6.3) сходит ся со скорост ью

геом ет ­

рической прогрессии со зн а м ен а т елем

р.

 

 

В случае,

если м ат рица А

я в ля е т с я си м м ет р и чн о й , условие я в ­

ля е т с я и необходим ы м условием сходим ост и ит ерационной последо­

ват ельност и (6.3) при лю бом выборе нулевого приб лиж ения.

 

Д о к а з а т е л ь с т в о .

Д л я

установления достаточности

усло­

вия (6.9) зам етим , что из

неравенства (6 .8 ) вы текает следую щ ее со­

отнош ение:

 

 

 

 

\\z k \\< :\\E

-

тА\\к \\г 0\\.

( е л о )

И з (6.10) очевидно, что условие

(6.9) обеспечивает сходимость по­

следовательности погреш ностей

Z и к нулю со скоростью геом етриче­

ской прогрессии со знам енателем р.

 

 

В случае, если м атри ц а А явл яется сим метричной, будет сим м ет­ ричной и м атри ц а Е — т А, а поэтому в силу (6 .6 ) условие (6.9) м ож но

переписать в эквивалентном виде

 

р = m ax | 1 r \ s \ < 1

(6 .1 1 )

S

 

(здесь через {АД обозначены собственны е значения м атрицы А ).

У бедимся в том, что условие (6.11) явл яется

необходимым усло­

вием сходимости к нулю последовательности { Д Д

при лю бом вы боре

нулевого приближ ения X Q. П редполож им , что условие (6.11) не вы ­

полнено. Тогда сущ ествует собственное значение As , удовлетворяю щ ее

неравенству | 1 r \ s \ ^ 1 . О бозначим через X ^ отвечаю щ ий это­

му собственному значению собственны й вектор м атрицы А и выберем

нулевое приближ ение X Q так, чтобы

Z Q совпало с Х ^ 8\

Тогда, после­

довательно зап и сы вая

соотнош ение

(6.4)

д л я номеров

1, 2, ... ,

к , мы

получим, что Zk = (1

тХ8)кZ$. И з последнего соотнош ения в силу

неравенства | 1 тXs \

^ 1 вы текает, что

||Z^\\ не стрем ится к

нулю

при к

оо. Т еорема 6.1 доказана.

 

 

 

 

12 В.А . И л ьи н, Э.Г. П о зн я к

178 ГЛ. 6. ИТЕРАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ

С разу ж е зам етим , что д л я п рактических целей недостаточно уста­

новить только ф а к т сходимости последовательности итераций. Ц ен­ тральной задачей численны х методов явл яется оценка скорости схо­

дим ости. О чень важ н о знать, как наилучш им способом распорядиться

стационарны м парам етром т д л я того, чтобы получить наиболее бы ­

струю сходимость. О становим ся на этом вопросе подробнее.

П усть зад ан а ^-точность, с которой нам требуется получить точное

реш ение системы

(6.1). Т ребуется

найти итерацию

Х/щ

таким

номе­

ром

к , д л я которого

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I I ^ I K

e n ro ll.

 

 

 

 

(6.12)

И з

(6.9) и

(6

.1

0 )

вы текает, что \\Zk\\

^ р к ||^о|| и,

стало

бы ть,

(6 .1 2 )

вы полняется

при

р к ^ г, т. е. при к

^

1 п (1

/ г ) / 1 п (1

/р ).

 

 

О тсю да видно, что д л я ум еньш ения числа итераций к , достаточны х

д л я достиж ения

требуемой ^-точности, следует вы брать

п арам етр т

так, чтобы получить минимум ф ункции р

= р (т)

=

\\Е

— тА ||.

 

С читая

м атрицу

А сим м етричной

и полож ительна определенной,

мы

приходим

к

следую щ ей

задаче

оптимизации:

найти минимум

ф ункции

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m in р (т) =

m in ||Е

тА\\ = m in {m ax |

1

T As |}.

 

 

 

Т

 

 

 

Т

 

 

Т

S

 

 

 

 

Реш ение

этой

и

несколько более

общей задачи, предлож енное

А .А . С ам арским ,

излагается в следую щ ем

пункте. Там будет доказа­

но, что указанны й минимум

ф ункции р =

р (т) достигается д л я зн а­

чения т =

2

/

( 7 1

+

7 2 ), где 7 i и 7

2 — соответственно м инимальное и

м аксим альное собственны е значения м атрицы А, причем минимальное значение ф ункции р (т) равно

i _

л

72

-

71

 

7 2

1 +

21

7 2

+

7i ’

72

2.Общий неявный метод простой итерации. С нова обратим ся

к реш ению линейной системы (6 .1 ), но на этот раз заменим итераци ­

онную последовательность (6.3) более общей итерационной последова­ тельностью , определяемой соотнош ением

B X k +i - Х к + А Х к =

(бЛ З)

т

 

в котором В представляет собой некоторую «легко обратимую » к в ад ­ ратную м атрицу n -го порядка, а т — стационарны й парам етр . Такой

§ 1. МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ

179

метод составления итерационной последовательности

и н азы вается

неявны м м ет одом прост ой ит ерации. Рассм отренны й в преды дущ ем пункте явны й метод простой итерации получается из неявного метода

в частном случае В = Е , где Е — единичная м атри ц а порядка п.

Д л я того чтобы сф орм улировать в удобной д л я прилож ений ф орм е условие сходимости общ его неявного м етода простой итерации, напо­

мним некоторы е понятия, введенны е в преды дущ ей главе.

Н апомним,

что

м атри ц а А назы вается полож ит ельно определен­

ной , если ( А Х ,

X )

> 0 д л я лю бого ненулевого вектора X . В гл. 5 бы ло

доказано, что необходимым и достаточны м условием полож ительной

определенности

сим м етричной м атрицы А

(или, что то ж е самое, са­

м осопряж енного

линейного

оператора А)

явл яется полож ительность

всех собственны х значений этой м атрицы

(этого оператора).

 

 

Е сли м ат рица А

я в ля е т с я полож ит ельно

определенной,

то м ы

договоримся писат ь

неравенст во

А

> 0.

Д а ле е

договоримся

писат ь

неравенст во В > А

(и ли

А

< В )

в случае, если В А > 0 (т. е. если

м атри ц а В

— А явл яется полож ительно определенной).

 

 

Д окаж ем следую щ ую зам ечательную теорем у 4) .

 

 

 

Теорема 6.2 (теорем а А .А. С ам арского). П уст ь

м ат рица А

я в ­

ля е т с я си м м ет ричн ой и вы полнены

условия А

> 0,

В > 0 (си м м ет ­

ричност ь м ат рицы

В , вообще говоря, не предполагает ся).

 

 

Тогда для того чтобы ит ерационная последоват ельност ь,

опреде­

ля е м а я соот нош ением

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т

 

 

 

 

 

(6.13)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при лю бом

выборе нулевого

п р и б ли ж ен и я Х 0 сходилась к т очном у

реш ению X

сист ем ы А Х

=

F , дост ат очно, чтобы были вы полнены

условия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 В

> тА,

тА >

0 .

 

 

(6.14)

П ри дополнит ельном предполож ении о т о м , чт о м ат рица В

я в ­

ля е т с я си м м ет р и чн о й , условия

(6.14) не

т олько дост ат очны ,

но и

необходимы для сходим ост и указанной ит ерационной последоват ель­

ност и при лю бом выборе нулевого п р и б ли ж ен и я Х

0.

 

Д о к а з а т е л ь с т в о .

1) Д о с т а т о ч н о с т ь . П реж де всего

оценим

погреш ность Z

= X

X . Т ак как X удовлетвовлетворяет уравне­

нию А Х = F ,

а Х ^ соотнош ению (6.13), то д л я Z

получим

соотно-

4)Эта теорема является частным случаем доказанного известным советским

математиком А.А. Самарским значительно более общего утверж дения. (С амар­ ский А.А. Введение в теорию разностных схем. — М.: Наука, 1971.)

12*

180

 

 

ГЛ. 6. ИТЕРАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ

 

 

 

ш ение

 

 

B Zk + i------Zk_ +

A Z k

=

Q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(6.15)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Установим д л я погреш ности Z

так назы ваем ое основное эн ергет и ­

ческое соот нош ение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У м нож ая

(6.15) скалярно на вектор

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2(Zfe+ 1 - Zk) = 2r Zk + 1 ~

Zk.

 

 

 

 

получим равенство

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2^_

| ^Zk-\-i

Zk

Zk-i-i

Zk

+

2r

(AZk,

---X

|

= o.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(6.16)

Если

воспользоваться

обозначением

С =

2

В

— тА и соотнош ением

Zk =

Z k - \ - 1

“I-

 

+

1

_ Z k - \ - 1

 

 

т

+

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

то равенство

(6.16) мож но переписать в виде

 

 

 

 

 

Г ( c Zk + 1 ~

Z \

Zk + 1 ~

Z k ^j +

(A ( Z k + 1

+

Z k),

Z k + 1 -

 

Z k )

= 0.

(6.17) Д алее зам етим , что в силу сим метрии м атрицы А второе слагае­ мое в (6.17) равно (A Z k + i, Zk + 1 ) — (AZk, Zk). Это приводит нас к

основном у энергет ическом у соот нош ению :

Г ( c Zk + 1 ~ Z k , Zk + 1 ~ Z k ) + (A Z k + 1, Z k + 1) = (A Z k , Z k).

(6.18) Д л я доказательства достаточности условий (6.14) остается с помо­

щ ью основного энергетического соотнош ения д оказать

сходимость к

нулю последовательности {||Z ^||}.

 

 

 

 

 

 

 

И з

основного

энергетического

соотнош ения

и

из

полож и ­

тельной

определенности

м атрицы

С =

2 В — тА

вы текает,

что

(A Z k + i,

Zk + i) ^

(AZk,

Zk), т. е. вы текает

невозрастание последова­

тельности {( AZ k ,

Zk)} .

И з

условия

А > 0

вы текает,

кроме

того,

что

эта последовательность ограничена снизу нулем,

а поэтом у

сходится.

Но тогда из основного энергетического

соотнош ения

следует,

что

 

П т

( c Zk + 1 ~ Z k ,

Zk + 1 ~ Z k )

=

0.

 

(6.19)

 

fc—5>00 \

 

Т

Т

J

 

 

 

 

 

Н апомним, что д л я полож ительно определенной м атрицы С всегда найдется 8 > 0 такое, что ( С Х , X ) ^ 8 (X , X ) д л я лю бого вектора X