Numeryczne zadanie wªasne

Podobne dokumenty
Ukªady równa«liniowych - rozkªady typu LU i LL'

LZNK. Rozkªad QR. Metoda Householdera

Rozdziaª 13. Przykªadowe projekty zaliczeniowe

Interpolacja Lagrange'a, bazy wielomianów

Liniowe zadania najmniejszych kwadratów

ANALIZA MATEMATYCZNA Z ALGEBR

Przeksztaªcenia liniowe

det A := a 11, ( 1) 1+j a 1j det A 1j, a 11 a 12 a 21 a 22 Wn. 1 (Wyznacznik macierzy stopnia 2:). = a 11a 22 a 33 +a 12 a 23 a 31 +a 13 a 21 a 32

1 0 Je»eli wybierzemy baz A = ((1, 1), (2, 1)) to M(f) A A =. 0 2 Daje to znacznie lepszy opis endomorzmu f.

Janusz Adamowski METODY OBLICZENIOWE FIZYKI Zastosowanie eliptycznych równa«ró»niczkowych

Macierze i Wyznaczniki

Metody numeryczne i statystyka dla in»ynierów

2. L(a u) = al( u) dla dowolnych u U i a R. Uwaga 1. Warunki 1., 2. mo»na zast pi jednym warunkiem: L(a u + b v) = al( u) + bl( v)

Wykªad 7. Ekstrema lokalne funkcji dwóch zmiennych.

Macierze. Dziaªania na macierzach. 1. Niech b d dane macierze , D = , C = , B = 4 12 A = , F = , G = , H = E = a) Obliczy A + B, 2A 3B,

1 Przypomnienie wiadomo±ci ze szkoªy ±redniej. Rozwi zywanie prostych równa«i nierówno±ci

Algebra Liniowa 2. Zadania do samodzielnych wicze«wydziaª Elektroniki, I rok Karina Olszak i Zbigniew Olszak

PRZYPOMNIENIE Ka»d przestrze«wektorow V, o wymiarze dim V = n < nad ciaªem F mo»na jednoznacznie odwzorowa na przestrze«f n n-ek uporz dkowanych:

Arytmetyka zmiennopozycyjna

Zadania z z matematyki dla studentów gospodarki przestrzennej UŠ. Marek Majewski Aktualizacja: 31 pa¹dziernika 2006

a) f : R R R: f(x, y) = x 2 y 2 ; f(x, y) = 3xy; f(x, y) = max(xy, xy); b) g : R 2 R 2 R: g((x 1, y 1 ), (x 2, y 2 )) = 2x 1 y 1 x 2 y 2 ;

Macierze i Wyznaczniki

Mathematica jako narz dzie badawcze Cz ± pi ta. Fraktale

3. (8 punktów) EGZAMIN MAGISTERSKI, Biomatematyka

1. Przedstaw w postaci algebraicznej liczby zespolone: 2. Narysuj zbiory punktów na pªaszczy¹nie:

WBiA Architektura i Urbanistyka. 1. Wykonaj dziaªania na macierzach: Które z iloczynów: A 2 B, AB 2, BA 2, B 2 3, B = 1 2 0

Zagadnienia na wej±ciówki z matematyki Technologia Chemiczna

Rozdziaª 7. Rozwi zywanie równa«nieliniowych. 7.1 Funkcja octave'a fzero()

Macierze. 1 Podstawowe denicje. 2 Rodzaje macierzy. Denicja

Matematyka II: Zadania przed 3. terminem S tu niektóre zadania z egzaminu z rozwi zaniami i troch dodatkowych

Przetwarzanie sygnaªów

Interpolacja funkcjami sklejanymi

WEKTORY I WARTOŚCI WŁASNE MACIERZY. = λ c (*) problem przybliżonego rozwiązania zagadnienia własnego dla operatorów w mechanice kwantowej

Vincent Van GOGH: M»czyzna pij cy li»ank kawy. Radosªaw Klimek. J zyk programowania Java

Zadania i scenariusze zaj z laboratorium komputerowego do wykªadu z Matematyki Obliczeniowej. Leszek Marcinkowski

Zbiory i odwzorowania

1 Bª dy i arytmetyka zmiennopozycyjna

1 Metody iteracyjne rozwi zywania równania f(x)=0

Wst p do sieci neuronowych 2010/2011 wykªad 7 Algorytm propagacji wstecznej cd.

Materiaªy do Repetytorium z matematyki

Podstawowe działania w rachunku macierzowym

Ukªady równa«liniowych

2 Liczby rzeczywiste - cz. 2

Nieklasyczna analiza skªadowych gªównych

x y x y x y x + y x y

ANALIZA NUMERYCZNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Ekonometria. wiczenia 1 Regresja liniowa i MNK. Andrzej Torój. Instytut Ekonometrii Zakªad Ekonometrii Stosowanej

Zadania z PM II A. Strojnowski str. 1. Zadania przygotowawcze z Podstaw Matematyki seria 2

Zadania przygotowawcze, 3 kolokwium

Pewne algorytmy algebry liniowej Andrzej Strojnowski

Zadanie 1. (8 punktów) Dana jest nast puj ca macierz: M =

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

EGZAMIN MAGISTERSKI, r Matematyka w ekonomii i ubezpieczeniach

istnienie elementu neutralnego dodawania (zera): 0 K a K a + 0 = a, istnienie elementu neutralnego mno»enia (jedynki): 1 K a K a 1 = a,

Analiza sterowalno±ci

Wykład 14. Elementy algebry macierzy

wiczenie nr 3 z przedmiotu Metody prognozowania kwiecie«2015 r. Metodyka bada«do±wiadczalnych dr hab. in». Sebastian Skoczypiec Cel wiczenia Zaªo»enia

Interpolacja wielomianowa i splajnowa

Informacje pomocnicze

Wykªad 4. Funkcje wielu zmiennych.

Ekonometria Bayesowska

Opis matematyczny ukªadów liniowych

Zadania. 4 grudnia k=1

Bash i algorytmy. Elwira Wachowicz. 20 lutego

Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 3. Numeryczne zagadnienie własne

Funkcje wielu zmiennych

Optymalizacja R dlaczego warto przesi ± si na Linuxa?

Matematyka dyskretna dla informatyków

Wstęp do metod numerycznych Faktoryzacja QR i SVD. P. F. Góra

Kolokwium Zadanie 1. Dla jakich warto±ci parametrów a i b funkcja sklejona

Matematyka wykªad 1. Macierze (1) Andrzej Torój. 17 wrze±nia Wy»sza Szkoªa Zarz dzania i Prawa im. H. Chodkowskiej

Funkcje wielu zmiennych

Zadania z analizy matematycznej - sem. II Ekstrema funkcji wielu zmiennych, twierdzenia o funkcji odwrotnej i funkcji uwikªanej

Caªkowanie numeryczne - porównanie skuteczno±ci metody prostokatów, metody trapezów oraz metody Simpsona

Zaawansowane metody numeryczne

WST P DO TEORII INFORMACJI I KODOWANIA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2013/14

Model obiektu w JavaScript

A = n. 2. Ka»dy podzbiór zbioru sko«czonego jest zbiorem sko«czonym. Dowody tych twierdze«(elementarne, lecz nieco nu» ce) pominiemy.

Re(x 2 y 2 ) Im(x 2 + y 2 ) 2Re(xy) Im(x 2 y 2 ) Re(x 2 + y 2 ) 2Im(xy)

Wartości i wektory własne

Analiza obserwowalno±ci

Przekształcenia liniowe

Aproksymacja funkcji metod najmniejszych kwadratów

Programowanie wspóªbie»ne

Układy równań liniowych. Krzysztof Patan

Relacj binarn okre±lon w zbiorze X nazywamy podzbiór ϱ X X.

Macierze. Rozdział Działania na macierzach

Spis tre±ci. Plan. 1 Pochodna cz stkowa. 1.1 Denicja Przykªady Wªasno±ci Pochodne wy»szych rz dów... 3

Zadania z kolokwiów ze Wst pu do Informatyki. Semestr II.

Wektory i wartości własne

Wybrane poj cia i twierdzenia z wykªadu z teorii liczb

Modele wielorównaniowe. Problem identykacji

1. Zbadać liniową niezależność funkcji x, 1, x, x 2 w przestrzeni liniowej funkcji ciągłych na przedziale [ 1, ).

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Wektory i wartości własne

Lab. 02: Algorytm Schrage

1 Macierz odwrotna metoda operacji elementarnych

Algorytmy zwiazane z gramatykami bezkontekstowymi

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

Transkrypt:

Rozdziaª 11 Numeryczne zadanie wªasne W tym rozdziale zajmiemy si symetrycznym zadaniem wªasnym, tzn. zadaniem znajdowania warto±ci i/lub wektorów wªasnych dla macierzy symetrycznej A = A T. W zadaniach zbadamy, jak dziaªa podstawowa funkcja octave'a rozwi zuj ca zadanie wªasne, tzn. funkcja octave'a eig() oraz zbadamy zbie»no± ró»nych wersji metody pot gowej. Metoda pot gowa jest zdeniowana nast puj co: dla dowolnego wektora ˆx 0 = x 0 o normie drugiej równej jeden (np. losowego), deniujemy ci g iteracji metody pot gowej nast puj co: ˆx k = Ax k 1 (iteracja) x k = ˆx k ˆx k 2 (normowanie) r k = x T k Ax k (iloraz Rayleigha) k > 0 (11.1) Zgodnie z teori, o ile x 0 nie jest ortogonalny do wektora wªasnego (podprzestrzeni wªasnej) dla najwi kszej warto±ci wªasnej, to x 2k zbiegnie do tego wektora wªasnego, a r k - iloraz Rayleigha - do tej warto±ci wªasnej. Zadanie 1 Zapoznaj si z pomoc do funkcji octave'a eig(). Za jej pomoc oblicz warto±ci wªasne macierzy 0 1 1 1 0 1. 1 1 0 Sprawd¹, czy dla λ warto±ci wªasnej A prawd jest,»e wyznacznik A λ I wynosi zero. Wyznacz macierz V tak,»e jej kolumny to wektory wªasne A. Przetestuj w normie macierzowej Frobeniusa, czy AV ΛV 2 wynosi zero. Tutaj Λ - to macierz diagonalna z warto±ciami wªasnymi A. 54

Zadanie 2 Zastosuj metod pot gow (11.1) do zadania wªasnego z macierz A z poprzedniego zadania. Za warunek stopu przyjmiemy,»e iloraz Rayleigha r k praktycznie przestanie si zmienia, co mo»e sugerowa,»e jest bliski granicy, czyli odpowiedniej warto±ci wªasnej, tzn. je±li r k+1 r k < tol to zatrzymujemy iteracj. Przyjmijmy,»e tol = 10 12. Przetestuj, czy otrzymane r k rzeczywi±cie jest dobrym przybli»eniem najwi kszej co do moduªu warto±ci wªasnej A - czyli dwa, a x k zbiegªo do wektora wªasnego dla tej warto±ci wªasnej o normie drugiej równej jeden, tzn. do v 1 = ( 1 1 3, 3 1, 3 ) T, lub v 1. Przetestuj algorytm bior c za x 0 : (a) wektory losowe - otrzymane za pomoc funkcji losowych rand() lub randn(). (b) wektor wªasny dla drugiej warto±ci wªasnej, tzn. dla minus jeden, czyli unormowany wektor v 2 = ( 2, 1, 1) T (c) wektor prawie ortogonalny do v 1 = ( 1 3, 1 3, 1 3 ) T, np. wektor otrzymany przez zaburzenie ostatniej skªadowej wektora v 2 : ( 2, 1, 1.01) T. Czy we wszystkich tych przypadkach metoda zbiegnie do v 1 lub v 1? Czy wybór x 0 wpªywa na ilo± iteracji metody pot gowej? Zadanie 3 Napisz funkcj octave'a z implementacj metody pot gowej (11.1), tzn. napisz m-plik z funkcj : function [ x, r, i t ]=power (A, tol, x0 ) która za parametry ma A - macierz wymiary N N, której wektora i warto±ci wªasnej szukamy tol - warunek stopu, domy±lnie przyjmuj cy warto± 10 12, x 0 -wektor startowy niezerowy, domy±lnie losowy, i która zwraca przybli»enie - unormowanego w normie drugiej - wektora wªasnego x dla najwi kszej warto±ci wªasnej co do moduªu macierzy A, 55

r - przybli»enie tej warto±ci wªasnej, it - ilo± iteracji metody pot gowej. Warunek stopu przyjmiemy jak w poprzednim zadaniu, tzn.»e iloraz Rayleigha r k przestanie si zmienia. Je±li to zatrzymujemy iteracj. r k+1 r k < tol Zadanie 4 Utwórz macierz symetryczn (ale nie diagonaln ) N N o warto±ciach wªasnych 1,..., N. Sprawd¹ dla N = 10, 100, 1000 czy funkcja octave'a eig() znajdzie warto±ci wªasne tej macierzy. Zadanie 5 Utwórz macierze symetryczne A a (niediagonalne) wymiaru 11 11 o warto±ciach wªasnych 1,..., 10, a dla a = 11, 101, 1001 i ze znanymi wektorami wªasnymi. Sprawd¹, ile iteracji b dzie potrzebowaªa metoda pot gowa dla losowego wektora startowego do znalezienia najwi kszej warto±ci wªasnej. Czy potwierdzaj si wyniki teoretyczne,»e szybko± zbie»no±ci zale»y od stosunku najwi kszej co do moduªu warto±ci wªasnej do drugiej co do moduªu warto±ci wªasnej, czyli w tym zadaniu a/10? Zadanie 6 Zadanie 7 Dla macierzy z zadania 5 dla a = 11, 101 ze znanym wektorem wªasnym v 1 dla warto±ci wªasnej a, przetestuj zbie»no± x k obliczanego przy pomocy metody pot gowej do v 1. W szczególno±ci sprawd¹, czy v 1 x k 2 = O( λ 2 /λ 1 k ) dla λ 2 = 10 i λ 1 = a. Dla macierzy z zadania 5 dla a = 11, 101 dla warto±ci wªasnej a, przetestuj zbie»no± r k ilorazu Rayleigha obliczanego przy pomocy metody pot gowej do λ 1. W szczególno±ci sprawd¹, czy dla λ 2 = 10 i λ 1 = a. λ 1 r k = O( λ 2 /λ 1 2k ) Zadanie 8 Dla macierzy z zadania 5 dla a = 11, 101 ze znanym wektorem wªasnym v 1 dla warto±ci wªasnej 11 przetestuj zbie»no± metody pot gowej dla ró»nych wektorów startowych: 56

dla losowego wektora x 0 ortogonalnego do v 1 (jak go mo»na utworzy?) dla wektora prawie ortogonalnego - za x 0 bierzemy w+10 6 z, gdzie w T v 1 = 0 i z to wektor losowy o normie drugiej równej jeden. dla dowolnego losowego wektora x 0 Prosz powtórzy testy kilka razy dla ka»dego podpunktu - czy zdarzyªo si,»e wyniki byªy istotnie ró»ne w zale»no±ci od wylosowanego wektora? Zadanie 9 Zaimplementuj funkcj analogiczn do tej z zadania 3 z implementacj odwrotnej metody pot gowej, tzn. metody pot gowej zastosowanej do macierzy odwrotnej A 1 zamiast A: function [ x, r, i t ]= invpower (A, tol, x0 ) Wszystkie parametry i zwracane warto±ci b d takie same jak w funkcji power() z zadania 3. Zadanie 10 Zadanie 11 Utwórz macierz z zadania 5 dla a = 11, 101, 1001. Sprawd¹, ile iteracji b dzie potrzebowaªa odwrotna metoda pot gowa dla losowego wektora startowego do znalezienia przybli»enia najmniejszej warto±ci wªasnej przy ustalonym warunku stopu r k r k+1 10 12. Tutaj r k - to odpowiedni iloraz Rayleigha. Zaimplementuj funkcj analogiczn do tej z zadania 3 z implementacj odwrotnej metody pot gowej z przesuni ciem (shift), tzn. metody pot gowej zastosowanej do macierzy (A b I) 1 dla parametru b: function [ x, r, i t ]= invpowwiel (A, b, tol, x0 ) Tutaj b b dzie dodatkowym parametrem tej funkcji, a pozostaªe parametry i zwracane warto±ci pozostaj takie same jak w funkcji z zadania 3. Zadanie 12 Utwórz macierz z zadania 5 dla a = 11, 101, 1001. Sprawd¹, ile iteracji b dzie potrzebowaªa odwrotna metoda pot gowa z przesuni ciem dla losowego wektora startowego i ró»nych warto±ci parametru b = 1.3, 1.5, 1.8, 2.1, 2.01 do znalezienia ró»- nych warto±ci wªasnych macierzy A a. 57

Zadanie 13 Zaimplementuj funkcj analogiczn do tej z zadania 3 z implementacj metody ilorazów Rayleigha: function [ x, r, i t ]= raylegh (A, b, tol, x0 ) Metoda polega na tym,»e dla danego wektora startowego x 0 o drugiej normie równej jeden, obliczamy iloraz Rayleigha r 0 = x T 0 Ax 0 i iterujemy: x k = (A r k 1I) 1 x k 1 (A r k 1 I) 1 x k 1 2 r k = x T k Ax k k > 0 (11.2) Oczywi±cie w implementacji prosz nie oblicza macierzy odwrotnej do A r k I, tylko rozwi zywa ukªad równa«liniowych z t macierz. Wszystkie parametry i zwracane warto±ci b d takie same jak w funkcji power() z zadania 3. Zadanie 14 Zadanie 15 Przetestuj metod ilorazów Rayleigha na przykªadzie macierzy symetrycznej z zadania 5 dla a = 11, 101, 1001 bior c losowy wektor startowy. W kolejnych testach prosz wzi wektory startowe bliskie wektorom wªasnym dla warto±ci wªasnych 2 i 7. Zaimplementuj funkcj octave'a sprowadzaj c macierz symetryczn A wymiaru N N do macierzy podobnej trójdiagonalnej: Q T BQ = A lub B = QAQ T za pomoc odpowiednich przeksztaªce«householdera: function [B,Q]= sym2tridiag (A, typ ) która za parametry ma A - symetryczn macierz wymiary N N tol - typ zwracanej macierzy Q, typ=0 oznacza,»e Q jest zwracana jako macierz N N - wymno»one macierze Householdera (domy±lna opcja), typ=1 oznacza,»e w macierzy Q zwracamy kolumny odpowiednich macierzy Householdera i która zwraca B - trójdiagonaln macierz symetryczn podobn do A w formacie rzadkim octave'a (sparse), 58

Q macierz b d c iloczynem przeksztaªce«householdera lub macierz, w której kolumnach s odpowiednie wektory Householdera w zale»no±ci od warto±ci parametru typ. Zadanie 16 Przetestuj funkcj z poprzedniego zadania dla jakiej± macierzy symetrycznej A (ani diagonalnej, ani trójdiagonalnej, ani trójk tnej) o znanych warto±ciach wªasnych, np. dla macierzy z zadania 5 dla a = 11, 101, 1001. Policz norm Frobeniusa A Q T BQ F i QAQ T B F. Sprawd¹, czy funkcja octave'a eig() dla obu macierzy zwróci te same warto±ci wªasne, i czy odpowiednie wektory wªasne speªniaj : Qv k = w k, Q T w k = v k, gdzie w k to wektor wªasny macierzy B dla warto±ci wªasnej λ k, a v k - to wektor wªasny dla tej samej warto±ci wªasnej λ k dla macierzy A. 59