Metody numeryczne II. Układy równań liniowych

Podobne dokumenty
UKŁADY ALGEBRAICZNYCH RÓWNAŃ LINIOWYCH

Układy równań liniowych i metody ich rozwiązywania

Układy równań liniowych. Krzysztof Patan

5. Rozwiązywanie układów równań liniowych

UKŁADY ALGEBRAICZNYCH RÓWNAŃ LINIOWYCH

15. Macierze. Definicja Macierzy. Definicja Delty Kroneckera. Definicja Macierzy Kwadratowej. Definicja Macierzy Jednostkowej

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

Wykład 5. Metoda eliminacji Gaussa

Metody numeryczne Wykład 4

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

Macierze. Rozdział Działania na macierzach

Własności wyznacznika

Zaawansowane metody numeryczne

1 Zbiory i działania na zbiorach.

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

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

PODSTAWY AUTOMATYKI. MATLAB - komputerowe środowisko obliczeń naukowoinżynierskich - podstawowe operacje na liczbach i macierzach.

MACIERZE I WYZNACZNIKI

1 Macierze i wyznaczniki

RACHUNEK MACIERZOWY. METODY OBLICZENIOWE Budownictwo, studia I stopnia, semestr 6. Instytut L-5, Wydział Inżynierii Lądowej, Politechnika Krakowska

Definicja macierzy Typy i właściwości macierzy Działania na macierzach Wyznacznik macierzy Macierz odwrotna Normy macierzy RACHUNEK MACIERZOWY

DB Algebra liniowa semestr zimowy 2018

D1. Algebra macierzy. D1.1. Definicje

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

Krótkie wprowadzenie do macierzy i wyznaczników

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

Lista. Algebra z Geometrią Analityczną. Zadanie 1 Przypomnij definicję grupy, które z podanych struktur są grupami:

MATEMATYKA I SEMESTR ALK (PwZ) 1. Sumy i sumy podwójne : Σ i ΣΣ

04 Układy równań i rozkłady macierzy - Ćwiczenia. Przykład 1 A =

III TUTORIAL Z METOD OBLICZENIOWYCH

3. Macierze i Układy Równań Liniowych

det[a 1,..., A i,..., A j,..., A n ] + det[a 1,..., ka j,..., A j,..., A n ] Dowód Udowodniliśmy, że: det[a 1,..., A i + ka j,..., A j,...

UKŁADY RÓWNAŃ LINIOWYCH

Metoda eliminacji Gaussa. Autorzy: Michał Góra

Analiza matematyczna i algebra liniowa Macierze

Algebra liniowa. Macierze i układy równań liniowych

Układy równań liniowych

Układy równań liniowych

O MACIERZACH I UKŁADACH RÓWNAŃ

Wstęp do metod numerycznych Eliminacja Gaussa Równania macierzowe. P. F. Góra

Zaawansowane metody numeryczne

Matematyka stosowana i metody numeryczne

Macierze i Wyznaczniki

SIMR 2016/2017, Analiza 2, wykład 1, Przestrzeń wektorowa

Rozwiązywanie układów równań liniowych

UKŁADY RÓWNAŃ LINIOWYCH - Metody dokładne

Ekoenergetyka Matematyka 1. Wykład 3.

A A A A A A A A A n n

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

2. Układy równań liniowych

1 Macierz odwrotna metoda operacji elementarnych

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

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

Zestaw 12- Macierz odwrotna, układy równań liniowych

Układy równań i nierówności liniowych

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

Wykład III Układy równań liniowych i dekompozycje macierzy

NUMERYCZNE METODY ROZWIĄZYWANIA ROWNAŃ LINIOWYCH. PRZYGOTOWAŁA: ANNA BANAŚ KoMBo, WILiŚ

MATEMATYKA I SEMESTR ALK (PwZ) 1. Sumy i sumy podwójne : Σ i ΣΣ

ALGEBRA LINIOWA. Wykład 2. Analityka gospodarcza, sem. 1. Wydział Zarządzania i Ekonomii Politechnika Gdańska

Obliczenia naukowe Wykład nr 8

Treści programowe. Matematyka. Efekty kształcenia. Literatura. Terminy wykładów i ćwiczeń. Warunki zaliczenia. tnij.org/ktrabka

Obliczenia Naukowe. Wykład 12: Zagadnienia na egzamin. Bartek Wilczyński

Wprowadzenie do metod numerycznych Wykład 3 Metody algebry liniowej I Wektory i macierze

Egzamin z Metod Numerycznych ZSI, Egzamin, Gr. A

φ(x 1,..., x n ) = a i x 2 i +

= Zapiszemy poniższy układ w postaci macierzy. 8+$+ 2&=4 " 5 3$ 7&=0 5$+7&=4

ECTS (Część 2. Metody numeryczne) Nazwa w języku angielskim: Algorithms and data structures.

x y

"Bieda przeczy matematyce; gdy się ją podzieli na więcej ludzi, nie staje się mniejsza." Gabriel Laub

UKŁADY RÓWNAŃ LINIOWYCH -Metody dokładne

Macierze. Układy równań.

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

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

Wektory i wartości własne

3. Wykład Układy równań liniowych.

Wektory i wartości własne

Wykład 14. Elementy algebry macierzy

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

Laboratorium Techniki Obliczeniowej i Symulacyjnej

Metody i analiza danych

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

Liczby zmiennoprzecinkowe i błędy

Algebra liniowa z geometrią

Zadania egzaminacyjne

Wyznaczniki 3.1 Wyznaczniki stopni 2 i 3

Wykład Ćwiczenia Laboratorium Projekt Seminarium Liczba godzin zajęć zorganizowanych w Uczelni ,5 1

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

Zaawansowane metody numeryczne

Wstęp do metod numerycznych Eliminacja Gaussa Faktoryzacja LU. P. F. Góra

Algebra z Geometrią Analityczną. { x + 2y = 5 x y = 9. 4x + 5y 3z = 9, 2x + 4y 3z = 1. { 2x + 3y + z = 5 4x + 5y 3z = 9 7 1,

ALGEBRA z GEOMETRIA, ANALITYCZNA,

Obliczenia w programie MATLAB

Wartości i wektory własne

Pokazać, że wyżej zdefiniowana struktura algebraiczna jest przestrzenią wektorową nad ciałem

Wyk lad 4 Macierz odwrotna i twierdzenie Cramera

5 Wyznaczniki. 5.1 Definicja i podstawowe własności. MIMUW 5. Wyznaczniki 25

Egzamin z Metod Numerycznych ZSI, Grupa: A

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

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

Transkrypt:

Metody numeryczne II. Układy równań liniowych Oleksandr Sokolov Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK (2016/17) http://fizyka.umk.pl/~osokolov/mnii/

Układ równań liniowych Układem równań liniowych nazywamy układ postaci: a - są to współczynniki równania ( dane) b - wyrazy wolne (dane) x - niewiadome równania ( szukane)

Przykłady zastosowań Układy mechaniczne/ elektryczne Równania nieliniowe Aproksymacja/ interpolacja Różniczkowanie numeryczne Całkowanie numeryczne Num_Methods_Hoffmann.pdf

Możliwe rozwiązywania unikalne rozwiązanie brak rozwiązania trywialne rozwiązanie nieskończona ilość rozwiązań

Rodzaje metod rozwiązywania układów równań liniowych metody bezpośrednie - dają rozwiązanie za skończoną liczbę kroków; wykorzystują dekompozycję Gaussa, Choleskiego itd. Podstawowa niedogodność stosowania metod bezpośrednich dla macierzy rzadkich to pojawianie się nowych niezerowych elementów w macierzy w trakcie obliczeń (ang. fill-in); metody iteracyjne - polegają na iteracyjnym ulepszaniu przybliżonego rozwiązania do momentu osiągnięcia zadawalającej dokładności.

Niektóre metody rozwiązywania układów równań liniowych

Definicje Macierz jest prostokątnym układem elementów Macierz kwadratowa Macierz diagonalna Macierz jednostkowa Macierz trójkątna U Macierz trójkątna L

Definicje (cd.) Trójdiagonalna macierz T jest macierzą kwadratową, w której wszystkie elementy nie na głównej przekątnej i dwóch przekątnych otaczających główną przekątną są równe zeru. Macierz wstęgowa lub pasmowa kwadratowa macierz, której wszystkie elementy są zerowe poza diagonalą i wstęgą wokół niej.

Definicje (cd.) Macierz transponowana (przestawiona) macierzy A to macierz, która powstaje z danej poprzez zamianę jej wierszy na kolumny i kolumn na wiersze. Macierz rzadka macierz, w której większość elementów ma wartość zero. A = [ 5 8 3 6 ] JA = [ 0 1 2 1 ] IA = [ 0 0 2 3 4 ] IA[0] = 0 IA[i] = IA[i 1] + (liczba niezerowych elementów w (i - 1) -tym wierszu w oryginalnej matrycy) Macierz dominująca to macierz, której wartości bezwzględne elementów na głównej przekątnej są większe od sumy wartości bezwzględnych pozostałych elementów w wierszach

Definicje (cd.) Rząd macierzy - maksymalna liczba liniowo niezależnych wektorów tworzących kolumny danej macierzy. Liniowa niezależność własność algebraiczna rodziny wektorów mówiąca, że żaden z nich nie może być zapisany jako kombinacja liniowa skończenie wielu innych wektorów ze zbioru. Wyznacznik macierzy (Metoda Laplace'a) Jeśli macierz jest stopnia n=1 (macierz jednoelementowa) to jej wyznacznik deta=a, gdzie a jest wartością elementu macierzy. Jeśli macierz ma stopień n>1 to jej wyznacznik jest obliczany według następującego wzoru: gdzie i- jest ustalone, jest to numer wiersza względem którego rozwijamy dany wyznacznik A ij - to dopełnienie algebraiczne elementu a ij ( Czyli wyznacznik powstały przez skreślenie i-tego wiersza i j-tej kolumny w macierzy A pomnożony przez (-1) i+j )

Metoda Cramera A j - wyznacznik z macierzy, która powstaje z macierzy A, przez zastąpienie kolumny współczynników niewiadomej x j przez kolumnę wyrazów wolnych B Gabriel Cramer (ur. 31 lipca 1704 w Genewie, zm. 4 stycznia 1752) szwajcarski matematyk i fizyk, uczeń Johanna Bernoulliego (opublikował jego dzieła), profesor uniwersytetu w Genewie. Ilość operacji mnożenia i dodawania

Przykład

Przykład x1=-10:10; b1=4; b2=7; y1=1/3.*(b1-2.*x1); %x2 dla 1 rownania y2=1/4.*(b2-5.*x1);%x2 dla 2 rownania plot(x1,y1); hold on; plot(x1,y2,'r'); 15 10 5 0-5 -10-15 -10-8 -6-4 -2 0 2 4 6 8 10 rozwiązanie istnieje dla każdego wektora b. url1.m Definiuje kąt

Przykład (cd.) 8 6 4 2 0-2 -4 x1=-10:10; b1=4; b2=7; y1=1/3.*(b1-2.*x1); %x2 dla 1 rownania y2=1/6.*(b2-4.*x1);%x2 dla 2 rownania plot(x1,y1); hold on; plot(x1,y2,'r'); -6-10 -8-6 -4-2 0 2 4 6 8 10 Nieskończenie wiele rozwiązań 8 6 4 2 0-2 -4-6 -10-8 -6-4 -2 0 2 4 6 8 10 url2.m Brak rozwiązań

Algebra macierzy Łączność Przemienność

Algebra macierzy (cd.) Odwracanie macierzy Potęgowanie macierzy dla kwadratowej macierzy Wielomian macierzy Faktoryzacja macierzy reprezentacja macierzy jako iloczyn dwóch macierzy

Wskaźnik uwarunkowania macierzy Wskaźnik uwarunkowania macierzy A w równaniu Ax = b jest charakterystyczną własnością macierzy informującą o tym jakie wzmocnienie będzie miała zmiana normy macierzy A na normę rozwiązania x. Wskaźnik uwarunkowania macierzy definiuje się bardziej precyzyjnie jako maksymalny stosunek błędu względnego wektora rozwiązania x do błędu względnego b Załóżmy, że e jest błędem b. Stąd błąd w rozwiązaniu A -1 b wynosi A -1 e. Stąd stosunek relatywnego błędu rozwiązania do relatywnego błędu w b wynosi: x, ~ x, f f x ~ x f w x f x f ~ x / f x x ~ x / x Maksymalna wartość

Normy wektora i macierzy p=1 1 P=2 P= 1

Przykład >> A=[2-1 1;1 0 1;3-1 4] A = 2-1 1 1 0 1 3-1 4 >> A^-1 ans = 0.5000 1.5000-0.5000-0.5000 2.5000-0.5000-0.5000-0.5000 0.5000

Przykład Załóżmy dodatkowo, że mamy do czynienia z maszyną, która przechowuje liczby rzeczywiste używając 24 bitowej mantysy, wtedy epsilon maszynowy wynosi >> 21*0.119209*10^-6 ans = 2.5034e-06 Po pomnożeniu tych wartości możemy oszacować do ilu miejsc po przecinku otrzymany wynik będzie istotny na podstawie poniższej równości: Obliczając m, możemy wnioskować, że w tym przypadku dokładność wyniesie 6 miejsc po przecinku

Przykład (cd.) >> 35988*0.119209*10^-6 ans = 0.0043 >> A=[1 2 ;2 3.999] A = 1.0000 2.0000 2.0000 3.9990 >> B=[4 7.999]' B = 4.0000 7.9990 >> A^-1*B ans = 2 1 A=[1 2 ;2 3.999+0.01] >> B=[4 8]' B = 4 8 >> A^-1*B ans = 4 0

Przykład (cd.)

Interpretacja geometryczna Zniekształcenie przestrzeni Stosunek maksymalnego rozciągnięcia do maksymalnej kompresji

Zniekształcenie przestrzeni (c.d.)

Właściwości wskaźnika uwarunkowania macierzy

Ocena normy macierzy odwrotnej

Oszacowane A -1 Przykład

Ocena błędu rozwiązania układu równań liniowych Faktor wzmocnienia błędu

Ocena błędu rozwiązania układu równań liniowych (c.d.) Ax = b x = x + x b = b + b

Wartość rezydualna (resztkowa)

Układy równań liniowych o macierzach trójkątnych Złożoność algorytmu - n 2

Układy równań liniowych o macierzach trójkątnych (cd.)

Przykład

Eliminacja Gaussa Układ równań liniowych można przekształcić w układ równoważny dodając do dowolnego równania kombinację liniową innych równań. Jeśli det(a) 0, to można przekształcić macierz układu w macierz trójkątną górną. ur. 30 kwietnia 1777 w Brunszwiku, zm. 23 lutego 1855 w Getyndze) niemiecki matematyk, fizyk, astronom i geodeta.

Przykład

Macierz eliminująca M k tworzy wektor a z wyzerowanymi elementami k+1,,n

Macierz eliminująca =(0 0 0 1 0 0 0 ) T - k-ta kolumna macierzy jednostkowej Dla

Przykład

Eliminacja Gaussa

Wybór elementu głównego

Algorytm Eliminacji Gaussa

Przykład

Przykład (cd.) M 1 A*x=M 1 B

Przykład (cd.) M 2 M 1 A*x=M 2 M 1 B

Przykład (cd.)

Rozkład macierzy A na czynniki trójkątne Skoro więc

Przykład

Eliminacja Gaussa: wybór elementów głównych W każdym kroku element główny musi być różny od zera Wybór elementów głównych nie jest potrzebny, jeśli * macierz A ma dominującą główną przekątną * macierz A symetryczna i dodatnio określona Jeśli współczynniki układu równań różnią się od siebie o wiele rzędów wielkości, to układ taki trzeba przed eliminacją poddać normalizacji, tj. każde równanie musi zostać przeskalowane czynnikiem 1/maxj aij, i = 1,...,n.

Permutacja nie jest trójkątna dolna Alternatywa

Przykład

Przykład (cd.)

Przykład (cd.) Nie jest trójkątna dolna

Alternatywa Przykład (cd.)

Eliminacja Gausa-Jordana Wilhelm Jordan (1 March 1842, Ellwangen, Württemberg 17 April 1899, Hanover) was a German geodesist who conducted surveys in Germany and Africa and founded the German geodesy journal.

Przykład

Przykład (cd.)

Przykład (cd.)

Przykład (cd.)

Przykład (cd.)

Przykład (cd.)

Przykład Obliczyć macierz odwrotną

Przykład (cd.)

Przykład (cd.)

Przykład (cd.)

Przykład Przez obracanie macierzy

Przykład (cd.)

Rozkład LU

Schematy zwarte

LU faktoryzacja. Metoda Doolittle a l ii = 1 Zdefiniujemy wektor

LU faktoryzacja. Metoda Doolittle a (cd.) Krok 1. Niewiadomy jest wektor b Krok 2. Niewiadomy jest wektor x Złożoność - n^2

Przykład

Przykład (cd.) Eliminacja i obliczenie L i U

Przykład (cd.)

Przykład (cd.)

Wyznaczanie macierzy odwrotnej X 1 kolumna macierzy odwrotnej do A X 2 kolumna macierzy odwrotnej do A X 3 kolumna macierzy odwrotnej do A

Wyznaczanie macierzy odwrotnej (cd.)

Wyznaczanie macierzy odwrotnej (cd.)