Metody iteracyjne rozwiązywania układów równań liniowych (5.3) Normy wektorów i macierzy (5.3.1) Niech. x i. i =1

Podobne dokumenty
UKŁADY ALGEBRAICZNYCH RÓWNAŃ LINIOWYCH

5. Rozwiązywanie układów równań liniowych

UKŁADY ALGEBRAICZNYCH RÓWNAŃ LINIOWYCH

Zaawansowane metody numeryczne

ROZWIĄZYWANIE RÓWNAŃ NIELINIOWYCH

Rozwiązywanie układów równań liniowych metody przybliżone Materiały pomocnicze do ćwiczeń z metod numerycznych

1 Metody rozwiązywania równań nieliniowych. Postawienie problemu

Matematyka stosowana i metody numeryczne

Matematyka stosowana i metody numeryczne

1 Równania nieliniowe

Wybrane metody przybliżonego. wyznaczania rozwiązań (pierwiastków) równań nieliniowych

Układy równań liniowych. Krzysztof Patan

Analiza numeryczna Lista nr 3 (ćwiczenia) x x 2 n x.

Rozwiązywanie układów równań liniowych metody dokładne Materiały pomocnicze do ćwiczeń z metod numerycznych

Rozwiązywanie równań nieliniowych

Wstęp do metod numerycznych Uwarunkowanie Eliminacja Gaussa. P. F. Góra

Wprowadzenie Metoda bisekcji Metoda regula falsi Metoda siecznych Metoda stycznych RÓWNANIA NIELINIOWE

Rozwiązywanie układów równań liniowych

Analiza numeryczna Kurs INP002009W. Wykłady 6 i 7 Rozwiązywanie układów równań liniowych. Karol Tarnowski A-1 p.

Metody numeryczne I Równania nieliniowe

Układy równań i nierówności liniowych

Metody numeryczne. Janusz Szwabiński. Metody numeryczne I (C) 2004 Janusz Szwabiński p.1/50

1 Macierze i wyznaczniki

METODY NUMERYCZNE. Wykład 4. Numeryczne rozwiązywanie równań nieliniowych z jedną niewiadomą. prof. dr hab.inż. Katarzyna Zakrzewska

Treść wykładu. Układy równań i ich macierze. Rząd macierzy. Twierdzenie Kroneckera-Capellego.

Układy równań i równania wyższych rzędów

Met Me ody numer yczne Wykład ykład Dr inż. Mic hał ha Łanc Łan zon Instyt Ins ut Elektr Elektr echn iki echn i Elektrot Elektr echn olo echn

Kolejny krok iteracji polega na tym, że przechodzimy do następnego wierzchołka, znajdującego się na jednej krawędzi z odnalezionym już punktem, w

Wartości i wektory własne

Metody numeryczne. materiały do wykładu dla studentów

Analiza matematyczna i algebra liniowa Macierze

ZAGADNIENIA PROGRAMOWE I WYMAGANIA EDUKACYJNE DO TESTU PRZYROSTU KOMPETENCJI Z MATEMATYKI DLA UCZNIA KLASY II

Rozdział 1 PROGRAMOWANIE LINIOWE

cx cx 1,cx 2,cx 3,...,cx n. Przykład 4, 5

METODY NUMERYCZNE. wykład. konsultacje: wtorek 10:00-11:30 środa 10:00-11:30. dr inż. Grażyna Kałuża pokój

Macierze. Rozdział Działania na macierzach

1 Macierz odwrotna metoda operacji elementarnych

dr Mariusz Grządziel 15,29 kwietnia 2014 Przestrzeń R k R k = R R... R k razy Elementy R k wektory;

Obliczenia naukowe Wykład nr 8

METODY NUMERYCZNE. Wykład 4. Numeryczne rozwiązywanie równań nieliniowych z jedną niewiadomą. Rozwiązywanie równań nieliniowych z jedną niewiadomą

a 11 a a 1n a 21 a a 2n... a m1 a m2... a mn x 1 x 2... x m ...

Zaawansowane metody numeryczne

3. Interpolacja. Interpolacja w sensie Lagrange'a (3.1) Dana jest funkcja y= f x określona i ciągła w przedziale [a ;b], która

UKŁADY RÓWNAŃ LINIOWYCH - Metody dokładne

KADD Minimalizacja funkcji

Wyznaczniki. Mirosław Sobolewski. Wydział Matematyki, Informatyki i Mechaniki UW. 6. Wykład z algebry liniowej Warszawa, listopad 2013

Całkowanie numeryczne przy użyciu kwadratur

Przekształcenia liniowe

ELEMENTY ANALIZY NUMERYCZNEJ ELEMENTY ANALIZY NUMERYCZNEJ. Egzamin pisemny zestaw 1 24 czerwca 2019 roku

Rozwiązywanie algebraicznych układów równań liniowych metodami iteracyjnymi

Przestrzeń unitarna. Jacek Kłopotowski. 23 października Katedra Matematyki i Ekonomii Matematycznej SGH

3. Macierze i Układy Równań Liniowych

Wykład 6. Metoda eliminacji Gaussa: Eliminacja z wyborem częściowym Eliminacja z wyborem pełnym

Informacja o przestrzeniach Hilberta

1 Układy równań liniowych

ELEMENTY ANALIZY NUMERYCZNEJ ELEMENTY ANALIZY NUMERYCZNEJ. Egzamin pisemny zestaw 1 26 czerwca 2017 roku

jest ciągiem elementów z przestrzeni B(R, R)

Wykład 4 Udowodnimy teraz, że jeśli U, W są podprzetrzeniami skończenie wymiarowej przestrzeni V to zachodzi wzór: dim(u + W ) = dim U + dim W dim(u

Algebra liniowa. Macierze i układy równań liniowych

Kubatury Gaussa (całka podwójna po trójkącie)

Przedmiotowy system oceniania wraz z określeniem wymagań edukacyjnych klasa druga zakres rozszerzony

Układy równań liniowych

MATEMATYKA KLASA II LICEUM OGÓLNOKSZTAŁCĄCEGO

ALGEBRA LINIOWA Z ELEMENTAMI GEOMETRII ANALITYCZNEJ

D. Miszczyńska, M.Miszczyński KBO UŁ 1 GRY KONFLIKTOWE GRY 2-OSOBOWE O SUMIE WYPŁAT ZERO

Wykład 5. Metoda eliminacji Gaussa

Zagadnienia brzegowe dla równań eliptycznych

Równania liniowe. Rozdział Przekształcenia liniowe. Niech X oraz Y będą dwiema niepustymi przestrzeniami wektorowymi nad ciałem

ROZKŁAD MATERIAŁU DO II KLASY LICEUM (ZAKRES ROZSZERZONY) A WYMAGANIA PODSTAWY PROGRAMOWEJ.

Metody numeryczne Wykład 7

FUNKCJE LICZBOWE. Na zbiorze X określona jest funkcja f : X Y gdy dowolnemu punktowi x X przyporządkowany jest punkt f(x) Y.

Wektor, prosta, płaszczyzna; liniowa niezależność, rząd macierzy

Rozdział 5. Macierze. a 11 a a 1m a 21 a a 2m... a n1 a n2... a nm

Rozwiązywanie równań nieliniowych i ich układów. Wyznaczanie zer wielomianów.

Algebra WYKŁAD 3 ALGEBRA 1

Metody numeryczne. dr Artur Woike. Ćwiczenia nr 2. Rozwiązywanie równań nieliniowych metody połowienia, regula falsi i siecznych.

1 Zbiory i działania na zbiorach.

METODY ROZWIĄZYWANIA RÓWNAŃ NIELINIOWYCH

jest rozwiązaniem równania jednorodnego oraz dla pewnego to jest toŝsamościowo równe zeru.

Metoda eliminacji Gaussa. Autorzy: Michał Góra

Pochodne cząstkowe i ich zastosowanie. Ekstrema lokalne funkcji

Układy równań. Kinga Kolczyńska - Przybycień 22 marca Układ dwóch równań liniowych z dwiema niewiadomymi

Metody numeryczne Wykład 4

MATeMAtyka klasa II poziom rozszerzony

Zadania z algebry liniowej - sem. I Przestrzenie liniowe, bazy, rząd macierzy

Obliczenia iteracyjne

ROZKŁAD MATERIAŁU DO 1 KLASY LICEUM (ZAKRES PODSTAWOWY) A WYMAGANIA PODSTAWY PROGRAMOWEJ.

, A T = A + B = [a ij + b ij ].

Wymagania edukacyjne matematyka klasa 1 zakres podstawowy 1. LICZBY RZECZYWISTE

ROZWIĄZYWANIE UKŁADÓW RÓWNAŃ NIELINIOWYCH PRZY POMOCY DODATKU SOLVER PROGRAMU MICROSOFT EXCEL. sin x2 (1)

Metody numeryczne w przykładach

Zadania egzaminacyjne

UKŁADY RÓWNAŃ LINIOWYCH -Metody dokładne

Definicja i własności wartości bezwzględnej.

O MACIERZACH I UKŁADACH RÓWNAŃ

φ(x 1,..., x n ) = a i x 2 i +

Wymagania edukacyjne z matematyki klasa IV technikum

Sponsorem wydruku schematu odpowiedzi jest wydawnictwo

Egzamin z Metod Numerycznych ZSI, Egzamin, Gr. A

Programowanie liniowe

Transkrypt:

Normy wektorów i macierzy (5.3.1) Niech 1 X =[x x Y y =[y1 x n], oznaczają wektory przestrzeni R n, a yn] niech oznacza liczbę rzeczywistą. Wyrażenie x i p 5.3.1.a X p = p n i =1 nosi nazwę p-tej normy Hoeldera i jest dla każdego rzeczywistego p z przedziału 1 p normą, tzn. Dla każdych X,Y R n oraz dowolnej liczby rzeczywistej są spełnione własności: X p 0 oraz X p =0 X =0 X p = X p X Y p X p Y p nierówność trójkąta 5.3.1.b 5.3.1.c 5.3.1.d

Normy wektorów i macierzy [cd.] (5.3.1) W praktyce stosowane są trzy normy: X 1 = i=1 X = n n i =1 x i x i norma pierwsza norma druga lub euklidesowa dla dowolnego X R n X =max x i 1 i n zachodzą nierówności norma nieskończoność X X X 1 n X n X. Normy macierzy indukowane przez normy wektorów: Niech będzie macierzą o m wierszach i 11 a 1 a 1n kolumnach. a A=[a 1 a a n a m1 a m a mn] n

Normy wektorów i macierzy [cd.] (5.3.1) Normą macierzy A indukowaną przez normę wektorową definiuje się jako Jest to przekształcenie A: R n X A X R m, które można interpretować jako miarę maksymalnego względnego,,wydłużenia`` wektora przez przekształcenie liniowe o macierzy A. Dowodzi się, że dla A 1 = max 1 j n = A = max A E Spect A T A A p =s p=1,, A = max 1 i m n j=1 up normy przybierają postać m a ij i=1 i=1 X R n X 0 m n j =1 a ij A X p X p ( =max X =1 A X p ) norma pierwsza a ij norma spektralna euklidesowa norma nieskończoność

Wstęp (5.3.) Metody iteracyjne polegają na wyznaczaniu ciągu wektorów X 0, X 1,, X k, zbieżnego do rozwiązania układu. Uzyskane rozwiązania są obarczone błędem metody oraz zaokrągleń. Metody te pozwalają jednak wyznaczyć rozwiązania z dowolną, z góry zadaną dokładniością. Omawiane dalej metody wykorzystują rozkład macierzy głównej układu równań AX = A 0 w postaci sumy gdzie A=M N D, 5.3..a Zakładając, że a ii 0 dla i=1,,,n, układ równań AX = M N D X =A 0 Można zapisać w równoważnej postaci X = D 1 M N X D 1 A 0. 5.3..b 5.3..c

Wstęp [cd.] (5.3.) W dalszym ciągu układ ten będzie zapisywany jako X =HX G. 5.3..d Powyższe równanie w postaci rozwiniętej ma postać gdzie x 1 = h 1 x h 13 x 3 h 1,n 1 x n 1 h 1, n x n g 1, x =h 1 x 1 h 3 x 3 h,n 1 x n 1 h,n x n g,, x n =h n,1 x 1 h n, x h n,3 x 3 h n,n 1 x n 1 g n 5.3..e

Metoda iteracji prostej [metoda Jakobiego] (5.3.3) W metodzie Jakobiego wybiera się dowolny wektor początkowy X 0 R n tworzy ciąg kolejnych przybliżeń X k k=1,,, według wzorów i i 1 x (k) i = i>1, j=1 n h ij x (k 1) j + i<n, j=i+1 h ij x (k 1) j +g i dla i=1,,, n. 5.3.3.a które w postaci rozwiniętej przyjmują postać k x 1 = h 1 x k 1 k h 13 x 1 3 h 1, n 1 x k 1 n 1 h 1, n x n g 1, x k k 1 =h 1 x 1 k 1 h 3 x k 1 3 h, n 1 x n 1 h,n x k 1 n g,, x k n =h n,1 x k 1 k 1 1 h n, x k h n,3 x 1 k 1 3 h n, n 1 x n 1 g n 5.3.3.b

Metoda iteracji prostej [cd.] (5.3.3) Twierdzenie: Jeżeli D 1 M N 1 q 1 lub D 1 M N q 1 to: a) ciąg 5.3.3.a jest zbieżny do rozwiązania układu równań AX = A 0 niezależnie od wyboru wektora X 0, b) zachodzą oszacowania X X k q 1 q X k X k 1 qk 1 q X 1 X 0, dla k=1,, Opierając się na powyższym twierdzeniu można sformułować algorytm rozwiązywania układów równań metodą iteracji prostej. Algorytm: Metoda Jakobiego n, A, A 0,, X q=min{ D 1 M N 1 ; D 1 M N }. 1. Wyznaczamy Jeżeli q 1, przechodzimy do pkt. algorytmu (gdy q 1 - koniec obliczeń).. Układ równań AX = A przekształcamy do postaci 3. W charakterze X 0 0 5.3..e. wybieramy dowolny wektor. 4. Kolejne przybliżenia obliczamy ze wzorów 5.3.3.b. X k 5. Jeśli q / 1 q X k X k 1, to kończymy obliczenia przyjmując X = X k. W przeciwnym razie powrót do punktu 4 algorytmu.

Metoda iteracji prostej [cd.] (5.3.3) Rozwiązanie: Wyjściowy układ równań AX = A 0 przekształcamy według wzorów 5.3..e do postaci X =HX g. =[ =[ 0.000 0.30 0.360 0.10 3.836 0.180 0.000 0.080 0.140 3.496 H ], g ], 0.400 0.100 0.000 0.00 4.810 0.150 0.300 0.450 0.000 5.50

Metoda iteracji prostej [cd.] (5.3.3) Następnie obliczamy q=min { H 1 ; H }=min{0.89 ;0.9}=0.89, r= q 1 q =8.09091. Ponieważ q 1kontynujemy obliczenia. Przyjmujemy X 0 =[0.0,0.0,0.0,0.0 ] T i wykonujemy iteracje według wzorów 5.3.3.b. Obliczenia są wykonywane do k-tej iteracji, w której po raz pierwszy zostanie spełniony warunek r X k X k 1 =10 5. Uzyskane wyniki przedstawiono w tabeli

Metoda iteracji prostej [cd.] (5.3.3)

Metoda Gaussa-Seidela (5.3.4) W metodzie Gaussa-Seidela również dokonuje się rozkładu macierzy głownej A układu równań A X = A 0 na sumę macierzy A=M N D, gdzie Jednak początkowo układ ten przekształca się do postaci M D X = N X A 0, X = M D 1 N X M D 1 A 0, dla której wzór na iteracje ma postać X 0 R n 5.3.4.a X k = M D 1 N X k 1 M D 1 A 0 dla k=0,1,,, 5.3.4.b

Metoda Gaussa-Seidela [cd.] (5.3.4) Dla zależności tej wyprowadza się warunek zbieżności algorytmu Twierdzenie: Jeżeli M D 1 N 1 p 1 lub M D 1 N p 1 to: a) ciąg 5.3.4.b jest zbieżny do rozwiązania układu równań AX = A niezależnie od wyboru wektora X 0 R n 0, b) zachodzą oszacowania X X k p 1 p X k X k 1 pk 1 p X 1 X 0, dla k=1,, W metodzie Gaussa-Seidela nie korzysta się jednak bezpośrednio z formuły 5.3.4.b lecz przekształca się wzór na iteracje wyprowadzony z zależności 5.3.4.a, otrzymując kolejno M D X k = N X k 1 A 0, X k = D 1 M X k D 1 N X k 1 D 1 A 0 dla k=0,1,,, 5.3.4.c Dla zależności 5.3.4.c słuszny również podany powyżej warunek zbieżności algorytmu Gaussa-Seidela.

Metoda Gaussa-Seidela [cd.] (5.3.4) Formułę 5.3.4.c i 1 x (k) i = i>1, j=1 lub postaci rozwiniętej można zapisać w za pomocą wzorów n h ij x (k) j + i< n, j=i+1 (k 1 h ij x ) j +g i dla i=1,,, n. k=0,1,, k x 1 = h 1 x k 1 k h 13 x 1 3 h 1, n 1 x k 1 n 1 h 1, n x n g 1, x k k =h 1 x 1 h 3 x k 1 3 h, n 1 x k n 1 h,n x 1 n g,, k k x n 1 =h n 1,1 x k 1 h n 1, x k h n 1,n x n k 1 h n 1, n x n g n, k x k n =h n,1 x 1 h n, x k k h n,3 x k 3 h n, n 1 x n 1 g n, gdzie 5.3.4.d

Metoda Gaussa-Seidela [cd.] (5.3.4) Algorytm: Metoda Gaussa-Seidela n, A, A 0,, X p=min { M D 1 N 1 ; M D 1 N }. 1. Wyznaczamy Jeżeli p 1, przechodzimy do pkt. algorytmu (gdy p 1 - koniec obliczeń).. Układ równań AX = A 0 przekształcamy do postaci 5.3..e. 3. W charakterze X 0 wybieramy dowolny wektor X 0 R n. 4. Kolejne przybliżenia X k obliczamy ze wzorów 5.3.4.d. 5. Jeśli p / 1 p X k X k 1, to kończymy obliczenia przyjmując X = X k. W przeciwnym razie powrót do punktu 4 algorytmu.

Metoda Gaussa-Seidela [cd.] (5.3.4) Rozwiązanie: Wyjściowy układ równań AX = A 0 wzorów 5.3..e do postaci X =HX g gdzie: H = D 1 M N, g =D 1 A 0, =[ 0.000 H =[ 0.30 0.360 0.10 0.180 0.000 0.080 0.140 ], g 0.400 0.100 0.000 0.00 0.150 0.300 0.450 0.000 przekształcamy według 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.9 0.0 0.0 0.0 5.0 0.0 0.0 M =[0.0 D =[10.0 3. 0.8 0.0 0.0 0.0 8.0 1.5 3.0 4.5 0.0], 0.0 0.0 0.0 10.0], 3. 3.6 1. 0.0 0.4 0.7 N =[0.0 0.0 0.0 0.0 1.6 0.0 0.0 0.0 0.0 ], 3.836 3.496 4.810 5.50 ].

Metoda Gaussa-Seidela [cd.] (5.3.4) Rozwinięta postać formuły iteracyjnej wyznaczona w oparciu zależność 5.3.4.d ma postać x k 1 = 0.30 x k 1 k 0.360 x 1 3 0.10 x k 1 4 3.836, x k k k 1 =0.180 x 1 0.080 x 3 0.140 x k 1 4 3.496, x k k 3 =0.400 x k k 1 0.100 x 0.00 x 1 4 4.810, k x 4 = 0.150 x k k 1 0.300 x k 0.450 x 3 5.50. 5.3.4.e Do testowania zbieżności algorytmu wykorzystywana jest macierz 0.300 0.3600 0.100 H GS = M D 1 0.0576 0.1448 0.1184 N =[0.0000 0.0000 0.1 0.195 0.598 0.0000 0.043 0.0477 0.0634] W kolejnym etapie obliczamy p=min{ H GS 1 ; H GS }=min{0.6804 ;0.8000 }=0.6804, r= p/ 1 p =.14505.

Metoda Gaussa-Seidela [cd.] (5.3.4) Ponieważ p 1 kontynujemy obliczenia. Przyjmujemy X 0 =[0.0,0.0, 0.0,0.0 ] T i wykonujemy iteracje według wzorów 5.3.4.e. Obliczenia są wykonywane do k-tej iteracji, w której po raz pierwszy zostanie spełniony warunek r X k X k 1 =10 5. Uzyskane wyniki przedstawiono w tabeli