题目
迭代矩阵的谱半径小于1是迭代法收敛的A. 充分条件,但不必要B. 充要条件C. 必要条件,但不充分D. 既非充分条件也非必要条件
迭代矩阵的谱半径小于1是迭代法收敛的
A. 充分条件,但不必要
B. 充要条件
C. 必要条件,但不充分
D. 既非充分条件也非必要条件
题目解答
答案
B. 充要条件
解析
迭代法收敛性的核心在于迭代矩阵的谱半径(即特征值绝对值的最大值)。本题考查谱半径与收敛条件的关系。
- 关键点:迭代法收敛的充要条件是迭代矩阵的谱半径小于1。
- 常见误区:需区分“充分条件”与“充要条件”,避免混淆谱半径与收敛性的双向关系。
充分性证明
若迭代矩阵的谱半径 $\rho(B) < 1$,则迭代法 $x^{(k+1)} = Bx^{(k)} + c$ 必然收敛。
原因:谱半径小于1时,迭代矩阵的幂 $B^k$ 随 $k \to \infty$ 趋近于零矩阵,从而误差项的影响逐渐消失,迭代结果趋于稳定解。
必要性证明
若迭代法收敛,则必然有 $\rho(B) \leq 1$。但进一步分析可知:
- 当 $\rho(B) = 1$ 时,存在某些矩阵(如 Jordan 块矩阵)导致迭代发散。
- 因此,收敛要求 $\rho(B) < 1$,即谱半径小于1是必要条件。
结论:谱半径小于1既是迭代法收敛的充分条件,也是必要条件,故为充要条件。