用追赶法解如下三对角方程组Ax=b,A=(3,-1/2.....-1/2,3,-1/2,.......-1/2,3,-1/2,....-1/2,3),自己给出不同的b求解,并给出方程组的解。
时间: 2024-05-27 20:08:59 浏览: 76
好的,我来解答这个问题。
首先,我们需要对矩阵A进行LU分解,其中L为下三角矩阵,U为上三角矩阵。LU分解的过程如下:
$$
L=\begin{bmatrix}
1 & 0 & 0 & \cdots & 0 \\
-\frac{1}{2} & 1 & 0 & \cdots & 0 \\
0 & -\frac{1}{2} & 1 & \cdots & 0 \\
\vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\
0 & 0 & 0 & \cdots & 1 \\
\end{bmatrix}
$$
$$
U=\begin{bmatrix}
3 & -\frac{1}{2} & 0 & \cdots & 0 \\
0 & \frac{5}{4} & -\frac{1}{2} & \cdots & 0 \\
0 & 0 & \frac{5}{4} & \cdots & 0 \\
\vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\
0 & 0 & 0 & \cdots & \frac{5}{4} \\
\end{bmatrix}
$$
然后,我们可以使用追赶法求解方程组Ax=b。具体步骤如下:
1. 计算Ly=b,其中y为未知向量。
2. 计算Ux=y,其中x为未知向量。
现在,我们来尝试解几个不同的b并求出方程组的解。
1. 当b=[1, 0, 0, ..., 0]时,我们有Ly=b:
$$
\begin{cases}
y_1 = 1 \\
-\frac{1}{2}y_1 + y_2 = 0 \\
-\frac{1}{2}y_2 + y_3 = 0 \\
\vdots \\
-\frac{1}{2}y_{n-1} + y_n = 0 \\
\end{cases}
$$
解得:$y=[1, \frac{1}{2}, \frac{1}{4}, ..., \frac{1}{2^{n-1}}]$。
然后,我们有Ux=y:
$$
\begin{cases}
3x_1 - \frac{1}{2}x_2 = 1 \\
\frac{5}{4}x_2 - \frac{1}{2}x_3 = \frac{1}{2} \\
\frac{5}{4}x_3 - \frac{1}{2}x_4 = \frac{1}{4} \\
\vdots \\
\frac{5}{4}x_{n-1} - \frac{1}{2}x_n = \frac{1}{2^{n-1}} \\
\frac{5}{4}x_n = \frac{1}{2^n} \\
\end{cases}
$$
解得:$x=[\frac{1}{2^{n+1}}, \frac{1}{2^n}, \frac{1}{2^{n-1}}, ..., \frac{1}{2}]$。
因此,方程组的解为$x=[\frac{1}{2^{n+1}}, \frac{1}{2^n}, \frac{1}{2^{n-1}}, ..., \frac{1}{2}]$。
2. 当b=[1, 1, 1, ..., 1]时,我们有Ly=b:
$$
\begin{cases}
y_1 = 1 \\
-\frac{1}{2}y_1 + y_2 = 1 \\
-\frac{1}{2}y_2 + y_3 = 1 \\
\vdots \\
-\frac{1}{2}y_{n-1} + y_n = 1 \\
\end{cases}
$$
解得:$y=[\frac{3}{2}, \frac{5}{4}, \frac{9}{8}, ..., \frac{2^n-1}{2^{n-1}}]$。
然后,我们有Ux=y:
$$
\begin{cases}
3x_1 - \frac{1}{2}x_2 = \frac{3}{2} \\
\frac{5}{4}x_2 - \frac{1}{2}x_3 = \frac{5}{4} \\
\frac{5}{4}x_3 - \frac{1}{2}x_4 = \frac{9}{8} \\
\vdots \\
\frac{5}{4}x_{n-1} - \frac{1}{2}x_n = \frac{2^n-1}{2^{n-1}} \\
\frac{5}{4}x_n = \frac{2^n+1}{2^n} \\
\end{cases}
$$
解得:$x=[\frac{2^n+1}{5\cdot2^n}, \frac{2^n+1}{5\cdot2^{n-1}}, \frac{2^n+1}{5\cdot2^{n-2}}, ..., \frac{2^n+1}{5\cdot5}]$。
因此,方程组的解为$x=[\frac{2^n+1}{5\cdot2^n}, \frac{2^n+1}{5\cdot2^{n-1}}, \frac{2^n+1}{5\cdot2^{n-2}}, ..., \frac{2^n+1}{5\cdot5}]$。
3. 当b=[2, 4, 6, ..., 2n]时,我们有Ly=b:
$$
\begin{cases}
y_1 = 2 \\
-\frac{1}{2}y_1 + y_2 = 4 \\
-\frac{1}{2}y_2 + y_3 = 6 \\
\vdots \\
-\frac{1}{2}y_{n-1} + y_n = 2n \\
\end{cases}
$$
解得:$y=[\frac{8}{3}, \frac{28}{9}, \frac{100}{27}, ..., \frac{2^{n+1}(n-1)+2}{3\cdot2^n}]$。
然后,我们有Ux=y:
$$
\begin{cases}
3x_1 - \frac{1}{2}x_2 = \frac{8}{3} \\
\frac{5}{4}x_2 - \frac{1}{2}x_3 = \frac{28}{9} \\
\frac{5}{4}x_3 - \frac{1}{2}x_4 = \frac{100}{27} \\
\vdots \\
\frac{5}{4}x_{n-1} - \frac{1}{2}x_n = \frac{2^{n+1}(n-1)+2}{3\cdot2^n} \\
\frac{5}{4}x_n = \frac{2^{n+2}(n-1)+2}{3\cdot2^{n+1}} \\
\end{cases}
$$
解得:$x=[\frac{2^{n+2}(n-1)+2}{15\cdot2^{n+1}}, \frac{2^{n+1}(n-1)+2}{15\cdot2^n}, \frac{2^n(n-1)+2}{15\cdot2^{n-1}}, ..., \frac{8}{15}]$。
因此,方程组的解为$x=[\frac{2^{n+2}(n-1)+2}{15\cdot2^{n+1}}, \frac{2^{n+1}(n-1)+2}{15\cdot2^n}, \frac{2^n(n-1)+2}{15\cdot2^{n-1}}, ..., \frac{8}{15}]$。
综上所述,对于不同的b,方程组Ax=b的解分别为:
1. $x=[\frac{1}{2^{n+1}}, \frac{1}{2^n}, \frac{1}{2^{n-1}}, ..., \frac{1}{2}]$。
2. $x=[\frac{2^n+1}{5\cdot2^n}, \frac{2^n+1}{5\cdot2^{n-1}}, \frac{2^n+1}{5\cdot2^{n-2}}, ..., \frac{2^n+1}{5\cdot5}]$。
3. $x=[\frac{2^{n+2}(n-1)+2}{15\cdot2^{n+1}}, \frac{2^{n+1}(n-1)+2}{15\cdot2^n}, \frac{2^n(n-1)+2}{15\cdot2^{n-1}}, ..., \frac{8}{15}]$。
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