Ukªady równa«liniowych - rozkªady typu LU i LL'

Podobne dokumenty
LZNK. Rozkªad QR. Metoda Householdera

Liniowe zadania najmniejszych kwadratów

Numeryczne zadanie wªasne

Metody numeryczne i statystyka dla in»ynierów

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

Rozdziaª 13. Przykªadowe projekty zaliczeniowe

Interpolacja Lagrange'a, bazy wielomianów

Ukªady równa«liniowych

ANALIZA MATEMATYCZNA Z ALGEBR

Interpolacja funkcjami sklejanymi

Arytmetyka zmiennopozycyjna

Macierze i Wyznaczniki

1 Bª dy i arytmetyka zmiennopozycyjna

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

IV. UK ADY RÓWNAÑ LINIOWYCH

Zagadnienia na wej±ciówki z matematyki Technologia Chemiczna

Układy równań liniowych. Krzysztof Patan

Macierze i Wyznaczniki

Macierze. 1 Podstawowe denicje. 2 Rodzaje macierzy. Denicja

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

(wymiar macierzy trójk¹tnej jest równy liczbie elementów na g³ównej przek¹tnej). Z twierdzen 1 > 0. Zatem dla zale noœci

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

Zaawansowane metody numeryczne

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

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,

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:

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

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

Podstawowe działania w rachunku macierzowym

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

MATLAB - laboratorium nr 1 wektory i macierze

Wykład 14. Elementy algebry macierzy

Macierze. Rozdział Działania na macierzach

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

Informacje pomocnicze

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

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

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

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

Obliczenia naukowe Wykład nr 8

Rozwiązywanie układów równań liniowych

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

Modele liniowe i mieszane na przykªadzie analizy danych biologicznych - Wykªad 6

ANALIZA NUMERYCZNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

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)

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

UKŁADY ALGEBRAICZNYCH RÓWNAŃ LINIOWYCH

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 ;

Wartości i wektory własne

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

Analiza matematyczna i algebra liniowa Macierze

UKŁADY RÓWNAŃ LINIOWYCH - Metody dokładne

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

CAŠKOWANIE METODAMI MONTE CARLO Janusz Adamowski

5. Rozwiązywanie układów równań liniowych

r = x x2 2 + x2 3.

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

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

Metody numeryczne i statystyka dla in»ynierów

Wykład III Układy równań liniowych i dekompozycje macierzy

Wektory w przestrzeni

Wykład 5. Metoda eliminacji Gaussa

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

Metody numeryczne. Wst p do metod numerycznych. Dawid Rasaªa. January 9, Dawid Rasaªa Metody numeryczne 1 / 9

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

Pewne algorytmy algebry liniowej Andrzej Strojnowski

Wprowadzenie do Scilab: macierze

3. (8 punktów) EGZAMIN MAGISTERSKI, Biomatematyka

Wstęp do metod numerycznych Równania macierzowe Faktoryzacja LU i Cholesky ego. P. F. Góra

1 Macierze i wyznaczniki

Metody numeryczne II. Układy równań liniowych

Ekonometria - wykªad 8

1 Macierz odwrotna metoda operacji elementarnych

01.Wprowadzenie do pakietu MATLAB

Metodydowodzenia twierdzeń

Obliczenia naukowe Wykład nr 2

Rozwi zywanie Ukªadów Równa«Liniowych Ax=B metod dekompozycji LU, za pomoc JAVA RMI

Rozwiązywanie problemów z użyciem Solvera programu Excel

Przeksztaªcenia liniowe

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

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

UKŁADY ALGEBRAICZNYCH RÓWNAŃ LINIOWYCH

Metody numeryczne i statystyka dla in»ynierów

14.Rozwiązywanie zadań tekstowych wykorzystujących równania i nierówności kwadratowe.

Egzamin z Metod Numerycznych ZSI, Grupa: A

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Biostatystyka, # 5 /Weterynaria I/

Kurs wyrównawczy dla kandydatów i studentów UTP

Wprowadzenie do Scilab: macierze

Wyk lad 5 W lasności wyznaczników. Macierz odwrotna

Aproksymacja funkcji metod najmniejszych kwadratów

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

Ekonometria. wiczenia 2 Werykacja modelu liniowego. Andrzej Torój. Instytut Ekonometrii Zakªad Ekonometrii Stosowanej

UKŁADY RÓWNAŃ LINIOWYCH -Metody dokładne

przewidywania zapotrzebowania na moc elektryczn

Układy równań liniowych i metody ich rozwiązywania

3. Macierze i Układy Równań Liniowych

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

Macierz A: macierz problemów liniowych (IIII); Macierz rozszerzona problemów liniowych (IIII): a 11 a 1m b 1 B = a n1 a nm b n

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

Transkrypt:

Rozdziaª 9 Ukªady równa«liniowych - rozkªady typu LU i LL' W tym rozdziale zapoznamy si z metodami sªu» cych do rozwi zywania ukªadów równa«liniowych przy pomocy uzyskiwaniu odpowiednich rozkªadów macierzy typu LU i LL T oraz obliczaniu macierzy odwrotnej. Zapoznamy si z odpowiednimi funkcjami octave'a sªu» cymi znajdowaniu odpowiednich rozkªadów, czy rozwi zywaniu ukªadów równa«liniowych z pomoc tych rozkªadów. Podstawowe funkcje i operatory octave'a zwi zane z rozkªadem LU to: [L,U,P]=lu(A) - funkcja zwracaj ca czynniki rozkªad LU nieosobliwej macierzy A, czyli P A = LU, [R]=chol(A) - funkcja zwracaj ca czynnik rozkªadu Choleskiego macierzy symetrycznej dodatnio okre±lonej A = A T > 0, czyli A = R T R, (zazwyczaj w literaturze podaje si ten rozkªad w terminach czynnika L = R T ), operator x=a\b - operator rozwi zuj cy ukªad równa«ax = b dla A macierzy nieosobliwej i b wektora prawej strony, inv(a) - funkcja zwracaj ca macierz odwrotn do A macierzy nieosobliwej, cond(a) - funkcja zwracaj ca wspóªczynnik uwarunkowania macierzy A, czyli A 2 A 1 2. Zadanie 1 Operator octave'a \ sªu» cy m.in. do rozwi zywaniu ukªadów równa«liniowych w octavie. 43

Przetestuj operator octave'a \ dla ukªadu równa«z macierz A = [1, 2; 3, 4] i x = [1; 3] z f=a x. Czy y=a\f jest rozwi zaniem tego ukªadu? Policz normy residualn Ay f p i norm bª du x x p dla p = 1, 2. Powtórz testy dla macierzy osobliwej [1, 2; 3, 6] i prawie osobliwej [1, 2; 3, 6 10 6 ]. Co si wtedy dzieje? Zadanie 2 Przetestuj solver octave'a, tzn operator backslash dla dwóch prostych ukªadów równa«liniowych z macierzami nieosobliwymi: A 1 = [1, 1; 1, 0.98] i b = [2; 1], A 2 = [1, 1; 1, 0.99] i wektorem prawej strony ukªadu równa«liniowych b = [2; 1] jak w poprzednim zadaniu. Policz w normie drugiej ró»nic rozwi za«, norm Frobeniusa ró»nicy A 1 A 2 oraz uwarunkowania tych macierzy korzystaj c z funkcji octave'a cond(). Powtórz zadanie dla macierzy: A 1 = [1, 1; 1, 1 2ɛ] i b = [2; 1], A 2 = [1, 1; 1, 1 ɛ] dla ɛ = 10 p z p = 3, 4,..., 16. Zadanie 3 Funkcja inv(). Zapoznaj si z pomoc do funkcji: inv(). Przetestuj, obliczaj c macierz odwrotn do A = [1, 1; 1, 1]. Czy macierz B obliczona za pomoc tej funkcji rzeczywi±cie jest macierz odwrotn? Policz normy pierwsz i Frobeniusa A B I oraz B A I. Zastosuj funkcje do rozwi zywania ukªadu równa«liniowych Ax = f dla znanego x (liczymy f = A x). Policz y jako iloczyn B z f i policz bª dy residualny Ay f i x y w normie pierwszej i drugiej. Powtórz to zadanie dla macierzy N N losowej (funkcja octave'a rand() zwraca macierz losow ) dla n = 10, 50, 250, 1250 ze znanym rozwi zaniem - oszacuj czas przy pomocy funkcji tic i toc. Porównaj czas i bª dy w normie pierwszej dla rozwi zania uzyskanego przy pomocy operatora octave'a \. Zadanie 4 Funkcje lu() i chol(). Zapoznaj si z pomoc do funkcji: lu() i chol(). Dla macierzy A = [1, 1; 1, 1] znajd¹ jej rozkªady: P A = LU i rozkªad Choleskiego A = L T 1 L 1. 44

Sprawd¹ te rozkªady licz c normy macierzowe pierwsz i Frobeniusa bª dów np. P A LU i A L T 1 L 1. Zastosuj te rozkªady do znalezienia rozwi zania ukªadu równa«liniowych Ax = f ze znanym rozwi zaniem np. x = [1; 1] i f = [2; 0]. Policz normy pierwsz i drug wektorowe pomi dzy x, a wynikiem algorytmu w, polegaj cym na zastosowaniu odpowiedniego rozkªadu, oraz takie same normy residualne, tzn. normy Aw f. Zadanie 5 W octavie przetestuj eliminacje Gaussa z cz ±ciowym wyborem i bez wyboru dla macierzy A = [e, 1; 1, 1] z e = eps/10 (funkcja octave'a eps zwraca epsilon maszynowy) i wektorem prawej strony f = [1; 0] T. Trzeba tu zaprogramowa samodzielnie eliminacj Gaussa bez wyboru elementu gªównego, tzn. bez permutacji ani wierszy, ani kolumn dla macierzy 2 2. Zadanie 6 Testy solvera octave'a dla macierzy Hilberta H(N) Polecenie octave'a hilb() tworzy macierz Hilberta. Stwórz macierz H(N) dla N = 10, 20, 30, Dla znanego rozwi zania, np. staªego równego jeden na ka»- dej pozycji, czyli sol k = 1, policz H(N) sol = f, Rozwi» w octavie ukªad z H(N) i f, Policz normy (1,2 itd) H(N)x f i x sol dla x rozwi zania wyliczonego przez octave, Policz uwarunkowanie macierzy Hilberta dla powy»szych N. Zadanie 7 Powtórz zadanie 6 w arytmetyce pojedynczej precyzji. Nale»y tu sztucznie wymusi, za pomoc funkcji octave'a single (), aby zmienne byªy zmiennymi pojedynczej precyzji. Zadanie 8 Przetestuj funkcj invhilb() tworz c macierz odwrotn do macierzy Hilberta (por. zadanie 6). Policz normy: macierzowa norm Frobeniusa i norm macierzow pierwsz ró»nicy macierzy E = H(N) ih(n) I dla N = 10, 20, 30, gdzie ih(n) macierz odwrotna do macierzy Hilberta obliczona przez invhilb(). 45

Wykorzystaj ih(n) do rozwi zania ukªadu równa«z macierz Hilberta H(N), tzn.: (a) stwórz macierze H(N) oraz ih(n) dla N = 10, 20, 30 korzystaj c z funkcji hilb() i invhilb(), (b) dla znanego rozwi zania sol, policz H(N) sol = f, (c) rozwi» ukªad H(N)x = f mno» c f przez ih(n), tzn. x = ih(n) f, (d) policz normy H(N)x f p i x sol p dla p = 1, 2,. Zadanie 9 Stwórz w octavie macierz trójdiagonaln A = (a ij ) n i,j=1 wymiaru n n z 2 na diagonali i 1 na pod- i nad diagonal, tzn. 2 i = j a i,j = 1 i j = 1, i, j = 1,..., n. 0 i j > 1 przy pomocy funkcji octave'a diag(), jak i wprost w p tli. Porównaj czas u»ywaj c tic i toc dla n = 10, 100, 1000. Policz uwarunkowanie macierzy dla ró»nych N. Policz macierz odwrotn przy pomocy inv() (czy jest trójdiagonalna?). Zadanie 10 Sprawd¹ z wykorzystaniem funkcji octave'a chol(), czy macierz z zadania 9 jest symetryczna i dodatnio okre±lona. Zadanie 11 Zaimplementuj rozkªad LU dla macierzy trójdiagonalnej N N bez wyboru elementu gªównego, tzn. stwórz wªasn funkcj octave'a: function [x,d,l]=lu3diag(a,b,c, f,n) Parametry funkcji: a, b, c - przek tna, podprzek tna i nadprzek tna macierzy A, f - wektor prawej strony, N - wymiar zadania - dªugo± przek tnej a. Funkcja powinna zwróci x - rozwi zanie Ax = f oraz czynniki rozkªadu macierzy A = LU, czyli diagonal macierzy górnotrójk tnej U w wektorze d i poddiagonal L - macierzy dolnotrójk tnej, trójdiagonalnej z jedynkami na diagonali, czyli wektor l. Naddiagonala U równa si nadiagonali A, tzn. wektorowi c. 46

Zadanie 12 Zastosuj funkcj z zadania 11 do uzyskania rozkªadu LU macierzy z zadania 9 dla N = 4, 10, 15. Porównaj z wynikiem uzyskanym przy pomocy funkcji octave'a lu(). Zadanie 13 Zastosuj funkcj z zadania 11 do rozwi zania ukªadu równa«z macierz z zadania 9 dla N = 10, 100, 1000, czy 10000: Rozwi» ukªad dla znanego rozwi zania, np. x = (1,..., 1) T, Porównaj czas rozwi zywania wªasnym algorytmem i algorytmem octave'a, czyli operatorem A\f, Policz bª d rezydualny i bª d rzeczywisty w normie drugiej, tzn. x x 2 i f A x 2, gdzie f = A x, a x to rozwi zanie obliczone przez octave'a lub obliczone wªasnym algorytmem. Zadanie 14 Zaimplementuj rozkªad LU dla macierzy trójdiagonalnej z cz - ±ciowym wyborem elementu gªównego. Nast pnie testuj ten rozkªad jak w zadaniu 13. Zastosuj ten rozkªad do rozwi zania ukªadu równa«z macierz z poprzedniego zadania A i z macierz A 1.5 I. Zadanie 15 Zaprogramuj rozkªad Choleskiego typu dla macierzy A = A T > 0 trójdiagonalnej, tzn. policz L dolnotrójk tn z jedn poddiagonal (czyli reprezentowan przez dwa wektory z przek tn i podprzek tn ) tak,»e A = L T L. Zastosuj do rozwi zania ukªadu równa«z zadania 9. Testuj analogicznie do zadania 13. Porównaj macierz L uzyskan w ten sposób z macierz uzyskan przez chol() zastosowan do tej samej macierzy. 47