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Résolution des systèmes linéaires


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IV. Méthodes itératives

IV-A. Méthode de Jacobi

La méthode de Jacobi est une méthode itérative de résolution de système linéaire de la forme A x = B où :

Image non disponible

Pour cela, on va construire une suite de vecteurs :

Image non disponible

qui converge vers x , solution du système d'équations linéaires.

Remarque : chacun des vecteurs successifs est identifié par un numéro placé en exposant et entre parenthèses.

Algorithme

Un vecteur initial x(0) étant donné, l'algorithme suivant permet de déterminer les éléments successifs de la suite.

On décompose la matrice A en trois matrices L , D et U . La matrice L est constituée des termes qui se trouvent au-dessous de la diagonale principale de A(j < i) ; la matrice D contient les termes diagonaux de A(j = i) ; la matrice U est constituée des termes qui se trouvent au-dessus de la diagonale principale de A(j > i) .

Image non disponible

Le système à résoudre peut alors s'écrire :

Image non disponible

d'où l'on tire la formule de récurrence :

Image non disponible

qui permet de calculer x(k+1) lorsque x(k) est connu :

Image non disponible

On remarquera que toutes les composantes de x(k) sont utilisées pour le calcul de chaque composante de x(k+1) . Ces deux vecteurs doivent donc être stockés dans deux tableaux distincts.

Erreur

A chaque itération, le vecteur trouvé x(k+1) comporte une certaine erreur :

Image non disponible

On pose P = D -1 (L+U) . Il vient alors :

Image non disponible

Convergence

L'algorithme converge si Image non disponible ou, ce qui revient au même, Image non disponible.

Théorème : une condition nécessaire et suffisante pour que Image non disponible est que les modules de toutes les valeurs propres de P soient strictement inférieures à 1.

Théorème : la formule de récurrence converge, quel que soit x(0) , si la matrice A est à diagonale dominante, c'est-à-dire si la valeur absolue de chaque terme diagonal est supérieure à la somme des valeurs absolues des termes rectangles placés sur la même ligne.

Résidu

On appelle résidu le vecteur R (k) = B - A x (k) . La précision exigée Image non disponible étant donnée, on arrête les itérations lorsque :

Image non disponible

IV-B. Méthode de Gauss-Seidel

La méthode de Gauss-Seidel est une méthode itérative de résolution de système linéaire de la forme A x = B où :

Image non disponible

Pour cela, on va construire une suite de vecteurs :

Image non disponible

qui converge vers x , solution du système d'équations linéaires.

Remarque : chacun des vecteurs successifs est identifié par un numéro placé en exposant et entre parenthèses.

Algorithme

Un vecteur initial x(0) étant donné, l'algorithme suivant permet de déterminer les éléments successifs de la suite.

On décompose la matrice A en trois matrices L , D et U . La matrice L est constituée des termes qui se trouvent au-dessous de la diagonale principale de A(j < i) ; la matrice D contient les termes diagonaux de A(j = i) ; la matrice U est constituée des termes qui se trouvent au-dessus de la diagonale principale de A(j > i) .

Image non disponible

Le système à résoudre peut alors s'écrire :

Image non disponible

d'où l'on tire la formule de récurrence :

Image non disponible

qui permet de calculer les composantes de x(k+1) lorsque celles de x sont connues :

Image non disponible

On remarquera que chaque composante de x(k) n'est utilisée que jusqu'au calcul de la composante correspondante de x(k+1) . Ces deux vecteurs peuvent donc être stockés dans le même tableau.

Variante

Il est aussi possible de calculer les xi(k+1) à partir du dernier. Cela revient à permuter le rôle des matrices L et U . La formule de récurrence devient :

Image non disponible

qui permet de calculer les composantes de x(k+1) lorsque celles de x sont connues :

Image non disponible

Erreur

A chaque itération, le vecteur trouvé x(k+1) comporte une certaine erreur :

Image non disponible

On pose P = D +L -1U . Il vient alors :

Image non disponible

Convergence

L'algorithme converge si Image non disponible ou, ce qui revient au même, Image non disponible.

Théorème : une condition nécessaire et suffisante pour que Image non disponible est que les modules de toutes les valeurs propres de P soient strictement inférieures à 1.

Théorème : la formule de récurrence converge, quel que soit x(0), si la matrice A est à diagonale dominante, c'est-à-dire si la valeur absolue de chaque terme diagonal est supérieure à la somme des valeurs absolues des termes rectangles placés sur la même ligne.

Résidu

On appelle résidu le vecteur R (k) = B - A x (k) . La précision exigée Image non disponible étant donnée, on arrête les itérations lorsque :

Image non disponible

IV-C. Méthode de surrelaxation (SOR)

En utilisant la méthode de Gauss-Seidel, on observe qu'à chaque itération la correction apportée au vecteur solution a tendance à être sous-estimée. En d'autres termes, le vecteur converge trop lentement vers la solution. D'où l'idée d'augmenter la correction, à l'aide d'un facteur multiplicatif Image non disponible, appelé paramètre de relaxation .

Comme dans la méthode de Gauss-Seidel, on décompose la matrice A en trois matrices L , D et :

Image non disponible

Le système à résoudre peut alors s'écrire :

Image non disponible

d'où l'on tire la formule de récurrence :

Image non disponible

qui permet de calculer les composantes de x(k+1) lorsque celles de x sont connues :

Image non disponible

Remarque : si on pose Image non disponible = 1, on retrouve la méthode de Gauss-Seidel

Variante

Il est aussi possible de calculer les xi(k+1) à partir du dernier. Cela revient à permuter le rôle des matrices L et U . La formule de récurrence devient :

Image non disponible

Ce qui permet de calculer les composantes de x(k+1) lorsque celles de x sont connues :

Image non disponible

Erreur

A chaque itération, le vecteur trouvé x(k+1) comporte une certaine erreur :

Image non disponible

On pose P = D +L -1U . Il vient alors :

Image non disponible

Convergence

L'algorithme converge si Image non disponible ou, ce qui revient au même, Image non disponible.

Théorème : une condition nécessaire et suffisante pour que Image non disponible est que les modules de toutes les valeurs propres de P soient strictement inférieures à 1.

Théorème : la formule de récurrence converge, quel que soit x(0), si la matrice A est à diagonale dominante, c'est-à-dire si la valeur absolue de chaque terme diagonal est supérieure à la somme des valeurs absolues des termes rectangles placés sur la même ligne.

Résidu

On appelle résidu le vecteur R (k) = B - A x (k) . La précision exigée Image non disponible étant donnée, on arrête les itérations lorsque :

Image non disponible

Méthode de surrelaxation symétrique (SSOR)

La surrelaxation successive symétrique (SSOR) est une variante qui consiste à faire jouer le même rôle aux matrices L et U , en alternant une itération dans laquelle on commence par la première composante du vecteur x et une dans laquelle on commence par la dernière. On a donc une paire de formules de récurrence :

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qui permettent de calculer les composantes de x(k+1) et x(k+2) lorsque celles de x sont connues :

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