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

Podobne dokumenty
Zaawansowane metody numeryczne

Metody numeryczne Wykład 4

5. Rozwiązywanie układów równań liniowych

UKŁADY ALGEBRAICZNYCH RÓWNAŃ LINIOWYCH

Rozwiązywanie układów równań liniowych

Układy równań liniowych. Krzysztof Patan

UKŁADY ALGEBRAICZNYCH RÓWNAŃ LINIOWYCH

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

Wykład 5. Metoda eliminacji Gaussa

Macierze. Rozdział Działania na macierzach

Układy równań liniowych i metody ich rozwiązywania

III TUTORIAL Z METOD OBLICZENIOWYCH

3. Macierze i Układy Równań Liniowych

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

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

MATLAB Prowadzący: dr hab. inż. Marek Jaszczur Poziom: początkujący

3 1 + i 1 i i 1 2i 2. Wyznaczyć macierze spełniające własność komutacji: [A, X] = B

Matematyka stosowana i metody numeryczne

Wartości i wektory własne

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

DB Algebra liniowa semestr zimowy 2018

Ćwiczenie 3. MatLab: Algebra liniowa. Rozwiązywanie układów liniowych

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

2. Układy równań liniowych

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

1 Macierz odwrotna metoda operacji elementarnych

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

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

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

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

Zaawansowane metody numeryczne

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

Metody dekompozycji macierzy stosowane w automatyce

UKŁADY RÓWNAŃ LINIOWYCH

O MACIERZACH I UKŁADACH RÓWNAŃ

Układy równań i nierówności liniowych

; B = Wykonaj poniższe obliczenia: Mnożenia, transpozycje etc wykonuję programem i przepisuję wyniki. Mam nadzieję, że umiesz mnożyć macierze...

A A A A A A A A A n n

13 Układy równań liniowych

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

Obliczenia naukowe Wykład nr 8

Metody numeryczne II. Układy równań liniowych

1 Macierze i wyznaczniki

Krótkie wprowadzenie do macierzy i wyznaczników

3. Wykład Układy równań liniowych.

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

Układy równań liniowych

Egzamin z Metod Numerycznych ZSI, Egzamin, Gr. A

Metody i analiza danych

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

Wprowadzenie do Scilab: macierze

3. FUNKCJA LINIOWA. gdzie ; ół,.

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

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

Zestaw 12- Macierz odwrotna, układy równań liniowych

Algebra WYKŁAD 3 ALGEBRA 1

10. Metody obliczeniowe najmniejszych kwadratów

LABORATORIUM 3 ALGORYTMY OBLICZENIOWE W ELEKTRONICE I TELEKOMUNIKACJI. Wprowadzenie do środowiska Matlab

Rozwiązywanie algebraicznych układów równań liniowych metodami bezpośrednimi

Układy równań liniowych

Macierze - obliczanie wyznacznika macierzy z użyciem permutacji

macierze jednostkowe (identyczności) macierze diagonalne, które na przekątnej mają same

Macierze Lekcja I: Wprowadzenie

Wykład 14. Elementy algebry macierzy

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

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

1 Zbiory i działania na zbiorach.

1. Liczby zespolone i

UKŁADY RÓWNAŃ LINIOWYCH - Metody dokładne

Podstawy Automatyki ćwiczenia Cz.1. Środowisko Matlab

ALGEBRA z GEOMETRIA, ANALITYCZNA,

φ(x 1,..., x n ) = a i x 2 i +

FUNKCJA KWADRATOWA. 1. Definicje i przydatne wzory. lub trójmianem kwadratowym nazywamy funkcję postaci: f(x) = ax 2 + bx + c

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

Algebra liniowa. 1. Macierze.

1 Logika. 1. Udowodnij prawa logiczne: 3. (p q) (p q) 2. (p q) ( q p) 2. Sprawdź, czy wyrażenie ((p q) r) (p (q r)) jest tautologią.

Algebra liniowa z geometrią

Zad. 3: Układ równań liniowych

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

= i Ponieważ pierwiastkami stopnia 3 z 1 są (jak łatwo wyliczyć) liczby 1, 1+i 3

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

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

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

WEKTORY I MACIERZE. Strona 1 z 11. Lekcja 7.

1. PODSTAWY TEORETYCZNE

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

Niezb. ednik matematyczny. Niezb. ednik matematyczny

Metoda eliminacji Gaussa

Laboratorium Techniki Obliczeniowej i Symulacyjnej

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

Analiza matematyczna i algebra liniowa Macierze

Wprowadzenie do Scilab: macierze

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

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

Egzamin z Metod Numerycznych ZSI, Grupa: A

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

Lista nr 1 - Liczby zespolone

Funkcje wymierne. Jerzy Rutkowski. Działania dodawania i mnożenia funkcji wymiernych określa się wzorami: g h + k l g h k.

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

MATLAB - laboratorium nr 1 wektory i macierze

Transkrypt:

04 Układy równań i rozkłady macierzy - Ćwiczenia 1. Wstęp Środowisko Matlab można z powodzeniem wykorzystać do rozwiązywania układów równań z wykorzystaniem rozkładów macierzy m.in. Rozkładu Choleskiego, Eliminacji Gaussa lub QR. Do wyznaczania powyższych rozkładów należy wykorzystać polecenia: chol, lu lub qr. Szczegóły dotyczące poleceń należy szukać w podręczniku Matlab. 2. Rozkład Choleskiego Rozkład Choleskiego pozwala na przedstawienie symetrycznej macierzy w postaci produktu macierzy trójkątnej i jej transpozycji. R R gdzie R jest macierzą górnie trójkątną. Niestety nie wszystkie macierze symetryczne mogą być rozłożone w ten sposób. Warunkiem rozkładu jest fakt, że macierz A musi być macierzą hermitowską (m.in. symetryczną) i dodatnio określoną. def.1 Macierz A nazywamy macierzą hermitowską 1, jeżeli A, przy czym A = (A ) T, a więc i,j=1,2,,n a ij = a ji. def.2 Macierz hermitowska jest dodatnio określona, jeżeli spełniony jest warunek: x Ax > 0 x Θ gdzie x = (x 1, x 2,.., x n ) T,Θ = (0,0,,0) T. 1 Jeżeli macierz hermitowska ma wyrazy rzeczywiste to jest to po prostu macierzą symetryczna. Przykład 1 Do przykładu wykorzystajmy macierz Pascala rozmiaru 6x6: >> A=pascal(6) 1 1 1 1 1 1 1 2 3 4 5 6 1 3 6 10 15 21 1 4 10 20 35 56 1 5 15 35 70 126 1 6 21 56 126 252 która jest symetryczna i dodatnio określona. Następnie wyznaczamy macierz górnie trójkątną: >> R=chol(A) 1 1 1 1 1 1 0 1 2 3 4 5 0 0 1 3 6 10 0 0 0 1 4 10 0 0 0 0 1 5 0 0 0 0 0 1 Po czym możemy rozwiązać układ równań A*x=b. Podstawiamy A=R'*R do równania i otrzymujemy nowe równanie: R R x = b a następnie wykorzystując dzielenie lewostronne z operatorem backslash otrzymujemy rozwiązanie: >> x=r\(r'\b) 1

Znalezienie macierzy górnie trójkątnej rozmiaru n x n jest operacją o złożoności O(n 3 ), natomiast rozwiązanie przy użyciu dwukrotnego zastosowania backslash'a O(n 2 ). 3. Rozkład LU Rozkład macierzy LU inaczej nazywamy metodą Eliminacji Gaussa. Rozkład pozwala na przedstawia każdej kwadratowej macierzy A jako produkt permutacji dolnie trójkątnej macierzy i górnie trójkątnej macierzy: L U gdzie L jest permutacją dolnie trójkątnej macierzy z jedynkami na przekątnej, natomiast U jest macierzą górnie trójkątną. Przykład 2 Dany jest układ równań A*x=b, gdzie: 1 3-2 -2-5 5-1 10 20-3 5-5 Obliczamy rozkład LU za pomocą polecenia: >> [L,U]=lu(A) L = U = -0.5000 0.0400 1.0000 1.0000 0 0 0.5000 1.0000 0-2.0000-5.0000 5.0000 0 12.5000 17.5000 0 0-0.2000 Następnie możemy szybko wyznaczyć rozwiązanie poleceniem: >> x=u\(l\b) x = 5.0000-2.0000 1.0000 Opcjonalnie możliwe jest także wyznaczenie macierzy permutacji P, patrz podręcznik. 4.Rozkład QR Za pomocą rozkładu QR lub inaczej rozkładu ortogonalnego możemy przedstawić macierz prostokątną jako produkt macierzy ortogonalnej (unitarnej w przypadku liczb zespolonych) i macierzy górnie trójkątnej: QR Opcjonalnie możliwe jest też wyznaczenie macierzy permutacji P spełniającej równanie: AP = QR gdzie P to macierz permutacji, Q to macierz ortogonalna oraz R to macierz górnie trójkątna. Możemy rozróżnić 4 typy rozkładu QR: pełny, ekonomiczny, przy czym z macierzą permutacji lub bez. Nadokreślone układy równań 2 zawierają prostokątną macierz główną, która ma więcej wierszy niż kolumn, np. rozmiaru mxn gdzie m > n. Pełny rozkład zakłada określenie kwadratowej macierzy Q wymiaru m x m oraz macierzy prostokątnej górnie trójkątnej R wymiaru mxn. Przykład 3 2 mające więcej równań niż zmiennych 2

Mając daną macierz A, pełny rozkład wyznaczamy przy pomocy polecenia qr: 1 1 1 1 2 3 1 3 6 3 3 3 >> [Q,R]=qr(A) Q = 6 7-4 19-0.2887 0.1213-0.0443-0.9487-0.2887-0.3638 0.8856-0.0000-0.2887-0.8489-0.4428 0.0000-0.8660 0.3638-0.1328 0.3162-3.4641-4.3301-5.4848 0-2.0616-4.9720 0 0-0.4428 0 0 0 Natomiast rozkład ekonomiczny dodając 0 w poleceniu: >> [Q,R]=qr(A,0) Q = -0.2887 0.1213-0.0443-0.2887-0.3638 0.8856-0.2887-0.8489-0.4428-0.8660 0.3638-0.1328-3.4641-4.3301-5.4848 0-2.0616-4.9720 0 0-0.4428 zawierający macierz Q o rozmiarze mxn oraz macierz kwadratową R rozmiaru nxn. Zabieg zmniejszenia macierzy (o m n kolumn od końca dla Q i usunięcie wierszy zerowych dla R) jest zasadny przy większych macierzach. Opcjonalna permutacja kolumn rozkładu, wywołana obecnością trzeciego argumentu wyjściowego polecenia qr jest użyteczna ze względu na wykrywanie osobliwości lub spadku rzędu macierzy 3. Polecenie wyświetlające dodatkową macierz permutacji można wyświetlić: >> [Q,R,P]=qr(A) oraz opcjonalnie w wersji ekonomicznej: >> [Q,R,P]=qr(A,0) w której P jest wektorem. Kontynuując rozważania bez macierzy 4 permutacji, rozkład QR transformuje nadinterpretowany układ liniowy w równoważny układ trójkątny. Wyrażenie norm(a*x-b) jest równoważne 5 wyrażeniu norm(q*r*x-b) Ponieważ mnożenie przez macierz ortogonalną zachowuje normę Euklidesową, powyższe wyrażenie jest równe: norm(r*x-y) gdzie y=q'*b. Ponieważ ostatnie m n wierszy macierzy R to same zera, wyrażenie to jest rozbite na dwie części: norm(r(1:n,1:n)*x-y(1:n)) oraz norm(y(n+1:m)). 3 np. dla macierzy mxn, rząd będzie ostro mniejszy niż min(m, n). 4 Uwaga: Jeżeli podamy w poleceniu [Q,R] albo [Q,R,P] to otrzymamy różne macierze Q i R! 5 w Matlabie z dokładnością do błędu. 3

W przypadku gdy A ma rząd równy dokładnie min(m, n) możliwe jest znalezienie rozwiązania x, tak więc pierwsze z powyższych wyrażeń jest równe zero. Natomiast drugie wyrażenie określa normę residuum (błąd). Rozwiązanie ma postać: x = R\(Q b) z błędem określonym przez w naszym przypadku: >> y=q'*b y = -19.0526 8.4887 5.1808 0.3162 >> x=r\(y) x = -6.1000 24.1000-11.7000 y((n + 1): m) z błędem y(4: 4)= 0.3162. W przypadku, gdy A ma rząd mniejszy ostro niż min(m, n), trójkątna struktura macierzy R umożliwia znalezienie rozwiązania dla problemu najmniejszych kwadratów. 4

Ćwiczenia Zad.1. Rozwiąż poniższe układy równań a) b) Zad.5. Stosując metodę eliminacji Gaussa rozłóż macierz A na iloczyn macierzy górno i dolno trójkątnej. Wykorzystaj otrzymany rozkład do rozwiązania układu równań Ax = b, gdzie c), Jakiego typu są to układy równań? Zad.2. Korzystając z metody Cholesky ego wyznacz rozkład LL T. Zad.6. Znajdź rozkład QR (z dodatkową macierzą permutacji P) dla macierzy: H = 1 4 10 20 1 3 6 10 1 2 3 4 1 1 1 1 Zad.3. Dla podanego układu równań: 2x 1 + 4x 2 2x 3 + 2x 4 = 0 4x a){ 1 + 12x 2 + 8x 3 + 4x 4 = 4 2x 1 + 8x 2 + 40x 3 + 2x 4 = 4 2x 1 + 4x 2 + 2x 3 + 11x 4 = 18 x 1 + x 2 + x 3 + x 4 = 0 x b){ 1 + 5x 2 + 5x 3 + 5x 4 = 4 x 1 + 5x 2 + 14x 3 + 14x 4 = 4 x 1 + 5x 2 + 14x 3 + 30x 4 = 20 Zad.7. Wykorzystując rozkład QR (pełny bez macierzy permutacji) znajdź przybliżone rozwiązanie układu równań Ax = b: 10 7 8 7 7 5 6 5 8 6 10 9 7 5 9 10 1 3 2 4 3-2 2-1 1 znajdź macierz górnie trójkątną R rozkładu Choleskiego, a następnie znajdź rozwiązanie tą metodą. Zad.4. Dla macierzy A, stosując metodę eliminacji Gaussa, wyznacz macierz permutacji P oraz macierze L i U takie, że P LU (L jest macierzą dolnie trójkątną, natomiast U macierzą górnie trójkątną ). 5