s velmi malými čísly nevýhodou velký počet operací, proto je mnohdy postačující částečný výběr

Podobné dokumenty
Požadavky a podmínky zkoušky z Numerických metod I (2NU)

Typy příkladů na písemnou část zkoušky 2NU a vzorová řešení (doc. Martišek 2017)

Co je obsahem numerických metod?

Numerická matematika Písemky

Připomenutí co je to soustava lineárních rovnic

FP - SEMINÁŘ Z NUMERICKÉ MATEMATIKY. Katedra matematiky a didaktiky matematiky Technická univerzita v Liberci

Teoretické otázky z numerických metod

Aplikovaná numerická matematika - ANM

Numerické metody a programování. Lekce 7

Numerické metody a statistika

Numerické řešení nelineárních rovnic

Numerická matematika Banka řešených příkladů

VYBRANÉ PARTIE Z NUMERICKÉ MATEMATIKY

DRN: Soustavy linárních rovnic numericky, norma

Interpolace, ortogonální polynomy, Gaussova kvadratura

MATLAB a numerické metody

Všechno, co jste kdy chtěli vědět o maticích, ale báli jste se zeptat

1 0 0 u 22 u 23 l 31. l u11

Numerická matematika 1

Řešení nelineárních rovnic

stránkách přednášejícího.

Numerické metody a programování. Lekce 4

METODA PŮLENÍ INTERVALU (METODA BISEKCE) METODA PROSTÉ ITERACE NEWTONOVA METODA

1. Chyby vstupních dat metody převedení úlohy na numerickou (řád použité metody) zaokrouhlovací reprezentace čísel v počítači

0 0 a 2,n. JACOBIOVA ITERAČNÍ METODA. Ax = b (D + L + U)x = b Dx = (L + U)x + b x = D 1 (L + U)x + D 1 b. (i) + T J

Hledání kořenů rovnic jedné reálné proměnné metoda sečen Michal Čihák 23. října 2012

Globální matice konstrukce

Numerické řešení diferenciálních rovnic

SOUSTAVY LINEÁRNÍCH ALGEBRAICKÝCH ROVNIC

Úlohy k přednášce NMAG 101 a 120: Lineární algebra a geometrie 1 a 2,

FAKULTA STAVEBNÍ MATEMATIKA NUMERICKÉ METODY STUDIJNÍ OPORY PRO STUDIJNÍ PROGRAMY S KOMBINOVANOU FORMOU STUDIA

Numerické řešení nelineárních rovnic

Numerické řešení soustav lineárních rovnic

Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering Czech Technical University in Prague

SOUSTAVY LINEÁRNÍCH ALGEBRAICKÝCH ROVNIC

Nelineární rovnice. Numerické metody 6. května FJFI ČVUT v Praze

Četba: Texty o lineární algebře (odkazy na webových stránkách přednášejícího).

Iterační metody řešení soustav lineárních rovnic. 27. prosince 2011

a vlastních vektorů Příklad: Stanovte taková čísla λ, pro která má homogenní soustava Av = λv nenulové (A λ i I) v = 0.

Čebyševovy aproximace

Dnešní látka Opakování: normy vektorů a matic, podmíněnost matic Jacobiova iterační metoda Gaussova-Seidelova iterační metoda

Soustavy lineárních rovnic-numerické řešení. October 2, 2008

DRN: Kořeny funkce numericky

Numerické řešení soustav lineárních rovnic

5. Lokální, vázané a globální extrémy

Numerické metody I. Jaro Normy vektorů a matic 1. 2 Nelineární rovnice Metoda bisekce (půlení intervalu) Iterační metody...

Četba: Texty o lineární algebře (odkazy na webových stránkách přednášejícího).

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2014/2015

Numerické metody a programování

Polynomy a interpolace text neobsahuje přesné matematické definice, pouze jejich vysvětlení

Interpolace pomocí splajnu

Hledání extrémů funkcí

Četba: Texty o lineární algebře (odkazy na webových stránkách přednášejícího).

Libovolnou z probraných metod najděte s přesností na 3 desetinná místa kladný kořen rovnice. sin x + x 2 2 = 0.

Zdrojem většiny příkladů je sbírka úloh 1. cvičení ( ) 2. cvičení ( )

Numerické metody a programování. Lekce 8

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2011/2012. x + y + 3z = 1 (2a 1)x + (a + 1)y + z = 1 a

Kombinatorická minimalizace

Příklady pro cvičení 22. dubna 2015


Soustavy lineárních rovnic-numerické řešení

Doc. RNDr. Libor Čermák, CSc. RNDr. Rudolf Hlavička, CSc. Numerické metody. AKADEMICKÉ NAKLADATELSTVÍ CERM, s.r.o. Brno

FAKULTA STAVEBNÍ MATEMATIKA IV STUDIJNÍ OPORY PRO STUDIJNÍ PROGRAMY S KOMBINOVANOU FORMOU STUDIA

Numerické řešení nelineárních rovnic

Princip řešení soustavy rovnic

Aplikovaná numerická matematika

České vysoké učení technické v Praze Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská OKRUHY. ke státním závěrečným zkouškám BAKALÁŘSKÉ STUDIUM

NUMERICKÉ METODY. Problematika num. řešení úloh, chyby, podmíněnost, stabilita algoritmů. Aproximace funkcí.

Matematika vzorce. Ing. Petr Šídlo. verze

Státní závěrečná zkouška z oboru Matematika a její použití v přírodních vědách

Newtonova metoda. 23. října 2012

MATURITNÍ TÉMATA Z MATEMATIKY

metoda Regula Falsi 23. října 2012

Numerické metody lineární algebry

10 Funkce více proměnných

Matematika 3. Sbírka příkladů z numerických metod. RNDr. Michal Novák, Ph.D. ÚSTAV MATEMATIKY

Hledáme lokální extrémy funkce vzhledem k množině, která je popsána jednou či několika rovnicemi, vazebními podmínkami. Pokud jsou podmínky

Vlastní (charakteristická) čísla a vlastní (charakteristické) Pro zadanou čtvercovou matici A budeme řešit maticovou

Moderní numerické metody

- funkce, které integrujete aproximujte jejich Taylorovými řadami a ty následně zintegrujte. V obou případech vyzkoušejte Taylorovy řady

Maturitní okruhy z matematiky - školní rok 2007/2008

Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering Czech Technical University in Prague

Hledání kořenů rovnic jedné reálné proměnné metoda půlení intervalů Michal Čihák 23. října 2012

Maturitní témata z matematiky

9. přednáška 26. listopadu f(a)h < 0 a pro h (0, δ) máme f(a 1 + h, a 2,..., a m ) f(a) > 1 2 x 1

Požadavky k písemné přijímací zkoušce z matematiky do navazujícího magisterského studia pro neučitelské obory

Numerická stabilita algoritmů

Gymnázium Česká a Olympijských nadějí, České Budějovice, Česká 64, 37021

Numerické metody lineární algebry

Cvičení z Numerických metod I - 12.týden

Úvod do problematiky numerických metod. Numerické metody. Ústav matematiky. 6. února 2006

Integrace. Numerické metody 7. května FJFI ČVUT v Praze

Semestrální písemka BMA3 - termín varianta A13 vzorové řešení

Aproximace funkcí. x je systém m 1 jednoduchých, LN a dostatečně hladkých funkcí. x c m. g 1. g m. a 1. x a 2. x 2 a k. x k b 1. x b 2.

Přednáška 11, 12. prosince Část 5: derivace funkce

Program SMP pro kombinované studium

Interpolace, aproximace

Aproximace a interpolace

Nelineární optimalizace a numerické metody (MI NON)

1 Zobrazení 1 ZOBRAZENÍ 1. Zobrazení a algebraické struktury. (a) Ukažte, že zobrazení f : x

Transkript:

1. Úvod 1.1. druhy chyb: ch. matematického modelu rozdíl mezi idealizovaným a reálným problémem ch. numerické metody výsledkem nepřesné řešení ch. zaokrouhlovací vystupují současaně 1.. chyba absolutní ε = Δx = x x (x přibližná hodnota) chyba relativní δ = Δx x = x x x př.: předmět o délce 0 cm, měření 0, cm Δx = 0, 0 = 0, δ = 0,/0 = 0,01 1.3. platné cifry x x <= 5 10 e-k pokud platí k<=p a neplatí k<=p+1, pak číslo má p platných cifer pl. des. místa x- x <= 5 10 -k-1 Př.: x = - 45,847 x= -45,798 e = 1 ( x 5 10 1 <= 50) -45,798 + 45,847 = 0.049 <= 5 10 - e-k = - k=3 (počet pl. cifer) -k-1 = - k=1 (p. pl. des. míst) 1.4. systém F normalizovaných čísel pohyblivé řádové čárky zobrazení a práce s číslem ve tvaru x = ± m β e (m normalizovaná mantisa, β základ číselné soustavy) Př.: v dekadické soustavě je β = 10, takže systém F je shodný se semilogaritmickým tvarem 1.5. ε m = strojové epsilon, strojová přesnost, nejmenší kladné číslo dané soustavy ε m = β 1-p (p počet cifer, které stroj zobrazuje) 1.6. IEEE zobrazení reálných čísel v počítači jednoduchá přesnost čísla s rozsahem exponentu dvojnásobná -10 e < 103 1.7. přetečení, podtečení číslo je větší, resp. menší, než které je počítač schopen zobrazit pro daný rozsah exponentu, dojde k přerušení běhu programu Př.: -5 <= e <= 5 k přetečení dojde u čísla většího jak 999 999 1.8. korektnost úlohy funkce, kterou počítáme, je prostá a spojitá podmíněnost malá změna vstupních dat dobře podmíněné úlohy vyvolá malou změnu řešení př.: vypočet průsečíku kolmých přímek stabilita algoritmu stabilní algoritmus není citlivý na zaokrouhlovací chyby př.: nestabilní alg. řešení SLR eliminační metodou bez výběru hlavního prvku

. SLR.1. GEM 1. úprava matice na horní Δ (eliminace poddiagonálních prvků) = přímý chod. zpětné dosazování = zpětný chod lze použít pro nenulové hlavní prvky, tzn. pokud je SLR ryze diagonálně dominantní nebo pozitivně definitní.. Matice ryze diag. dominantní člen na hlavní diagonále v abs. hodnotě větší než součet zbylých členů pro každý řádek.3. Matice pozit. definitní platí-li D i > 0, pak je matice poz. definitní (Sylvestr. kritérium, D determinatnt, i řád matice).4. LU rozklad soustavu Ax=b převedu na LUx=b L dolní Δ matice U horní Δ matice výhoda můžu například měnit vektor b, aniž bych pokaždé znovu eliminoval matici A.5. výpočtová náročnost GEM přímý chod 1/3 n 3 zpětný chod ½ n operací.6. Choleského rozklad A=LL T, A musí být pozit. definitní náročnost 1/6 n 3 operací, zhruba poloviční oproti LU.7. Částečný výběr hlavního prvku v neeliminované části k-tého sloupce vyberu prvek s největší abs. hodnotou, prohodím rovnice zaručuje, že velikost multiplikátorů pro eliminaci matice bude vždy menší než 1, nedojde k počítání s velmi malými čísly.8. Úplný výběr hlavního prvku v neeliminované části matice A k-1 vyberu prvek s největší abs. hodnotou, prohodím rovnice a neznámé zaručuje, že velikost multiplikátorů pro eliminaci matice bude vždy menší než 1, nedojde k počítání s velmi malými čísly nevýhodou velký počet operací, proto je mnohdy postačující částečný výběr.9. LU rozklad s částečným výběrem hl. prvku = pivotováním používám L, U a P permutační matice, proces pivotování

Pb = z Ly = z Ux = y.10. Výpočet determinantu A = U (U horní Δ matice) nebo A = (-1) q U (q počet prohození při pivotování).11. Výpočet inverzní matice (A E)~...~(E A -1 ) Jordanova modifikace (za vektor neznámých dosadím jednotkovou matici E).1. Řídká matice - počet nenulových prvků << počet prvků - využití přímé metody ušetření eliminace nebo úprava na pásovou matici - iterační metody sníží počet koeficientů při výpočtu iterací.13. Pásová matice - nenulové koeficienty v pásu podél diagonály - počet operací přímý chod roste kvadraticky s šířkou pásu zpětný chod roste lineárně s šířkou pásu.14. Vektorová l p -norma x p = n i 1 x i p 1 p x 1 = n i 1 x i n x = x i.15. Přirozená maticová norma vyjadřuje změnu normy Ax - A = max x 0 x původní vektor, Ax nový vektor x - Ax A x je-li vztah splněn, pak jsou normy souhlasné.16. Maticové normy - A 1 = max j i 1 a ij A = max i j a ij - sloupcové součty řádkové součty.17. Podmíněnost matice 1 i 1 x = max i - κ A = M Ax = max min Ax m x x - špatně podmíněná změna vstupních dat vyvolá velkou změnu výsledku - špatně podmíněná soustava je ekvivalentní špatně podmíněné matici.18. - např. graf dvou téměř totožných přímek.19. Iterační metody - zvolení počáteční vektoru x 0, generování posloupnosti x 0, x 1, x, která se blíží k přesnému řešení x - konvergence: x k x 0.0. Stop kritéria: - x k 1 x k ε x k - testování zadané podmínky ε v každém iteračním kroku.1. Jacobiova metoda - konvergence matice A je ryze diagonálně dominantní.. Gauss-Seidlova metoda - konvergence - A je ryze diagonálně dominantní nebo pozitivně definitní - je-li A r.d.d., pak G.-S. konverguje rychleji - konverguje-li G.-S., pak nemusí konvergovat Jacobiova a naopak.3. SOR - ω relaxační parametr, urychluje konvergenci, vynásobení každé iterace tímto parametrem.4. Kdy je efektivnější iterační metoda oproti přímé? - matice obsahuje nulové prvky x i

3. Aproximace funkcí 3.1. Co je aproximace funkce? Její typy. - náhrada funkce - interpolace vstupní data zatížená chybou - aproximace MNČ 3.. Úloha lagrangeovské interpolace - hledáme polynom, který splňuje P n x i = y i 3.3. Lagrangeův tvar int. polynomu n - P n x = i=0 y i l i x - l i fundamentální polynom, polynom i-tého stupně procházející bodem [x i,y i ] 3.4. P 1 x = x 3 + 7 x 1 = 3x 1 3 3 1 3.5. P x = x 3.6. Newtonův int. polynom - P n x = P n 1 x + a 0 x x 0 x x 1 x x n 1 - přidáme-li další tabulkové hodnoty, nemusíme celý výpočet opakovat (rozdíl od Lagrange) 3.7. Hermit - interpolační polynom je tabulkovými hodnotami a jejich derivacemi - lze případně použít pro polynomy vyšších stupňů 3.8. y=kx-1 nebo y=-kx+1 (různ strmé paraboly - máme derivaci v bodě, který neznáme 3.9. 4 podmínky, 3 stupně - x=1 y=1 y =1 y = y =6 - P 3 = a 3 x 1 3 + a x 1 + a 1 x 1 + a 0, - P 3 = 3a 3 x 1 + a x 1 1 + a 1,, - P 3 = 6a 3 x 1 + a,,, - P 3 = 6a 3 - všude dosadím x, vyjde a 0 =1 a 1 =1 a =1 a 3 =1 - P 3 = x 1 3 + x 1 + x 1 + 1 3.10.??? 3.11. Účelnost interpolace polynomů vyšších stupňů - mezi uzly vznikají velké chyby - nabízí se řešení místo strašení, a to interpolace po částech 3.1. Lineární int. splajn - sousední body spojené úsečkou 3.13. Herm. kub. int. splajn - známy tabulkové hodnoty a jejich derivace - 1. derivace spojitá,. derivace spojitá není - na každé části int. polynom nejvýše 3. stupně 3.14. Kub. int splajn - spojitá rovněž druhá derivace - okrajové podmínky konkrétní čísla nebo soustava rovnic pro všechny koeficienty 3.15.??? 3.16.??? 3.17.??? 3.18. MNČ - prokládání dat křivkami, přibližné řešení nepřesných rovnic - bázová funkce navržená podle očekávaného průběhu - počet parametrů n m pozorování 3.19. např.: - R n (t)=? n= φ 1 =t φ =t t 1 t 1 - R t = t t φ 1, φ t m t m 3.0. a=0

3.1. přesně podle vzroce, nic těžkého 3.. vznikne interpolační polynom 3.3. Přeurčená soustava rovnic - řešení obdélníkové matice A

4. Numerická derivace a integrace 4.1. Účel num. derivování - funkci známe jen v tabulkových bodech - funkce je na přímou derivaci příliš složitá 4.. příklad na použití centrální derivace 4.3. Chyby numerické derivace - 1. diskretizační E d = 1 f ξ -. zaokrouhlovací E r = ε 1 ε 0 - pro 0 E d 0 E r 4.4. aproximace MNČ, její derivace 4.5. Richardsonova extrapolace - základem metoda nižší přesnosti, z ní získáme metodu vyšší přesnosti - funkční závislost přesnosti na velikosti kroku h - F = a + b 4 + c 4.6. Účel num. integrování - funkci známe jen v tabulkových bodech - funkce je na přímou integraci příliš složitá - funkci nelze integrovat - kvadraturní formule Q(f) = I(φ) φ aproximace f(x) - řád kvadraturní formule jaký stupeň polynomu integruje formule přesně (co nejvyšší) 4.7. Odvození formulí - obdélníková obsah obdélníka - I = b a f a+b r = 1 - I = b a y n 0 + y 1 + + y i + y n 1 - I = b a y n 1 + y + + y i + y n - lichoběžníková obsah lichoběžníka - I = 1 f a + f(b) b a r = 1 - I = b a y n 0 + y 1 + y + + y i + y n 1 + y n 4.8. Simpsonova formule - aproximace polynomem. stupně na intervalu x i 1, x i+1 - I = b a f a + 4f a+b + f(b) r = 3 6 - I = y 3 0 + 4y 1 + y + 4y 3 + y 4 + 4.9. srovnání Q s (x k ) a I(x k ) např. na intervalu 0,1 - x 3 : Q s = 0,5 0 + 4 0,5 3 1 + 1 = 0,5 I = x 3 dx = x 4 3 0 - pro x 4 rovnost nenastane 4.10. Důkaz Q S f = Q 3 R f + 1 Q 3 T(f) - Q S f = b a 6 f a + 4f a+b - Q R f = b a f a+b - 1 3 Q R + Q T = 1 3 + f(b) Q T f = 1 b a f a+b 4 0 f a + f(b) b a + b a f a + f(b) 1 = 0,5 = b a 3 f(a) + f a+b b a f(a) + 4f a+b + f(b) 6 4.11. Metoda polovičního kroku - zjištění chyby numerické integrace - integrál s krokem h a integrál s krokem h/, chybu dostaneme kombinací výsledků 4.1. Rombergova integrace - založeno na Richardsonově extrapolaci - řád T si pro i-tý řádek r=i+1 + f(b) =

4.13. Adaptivní integrace - máme funkci s oblastmi, kde se mění pomalu hrubší dělení intervalu, a oblasti, kde se mění rychle jemnější dělení intervalu 4.14. funkční hodnota těžiště (aritmetický průměr hodnot ve vrcholech) vynásobený obsahem trojúhelníka 4.15.???

5. Řešení nelineárních rovnic 5.1. Bisekce - půlení intervalu, kontrola rozdílnosti znamének - předpoklad na intervalu pouze 1 kořen - konverguje vždy, ale pomalu - stop kritérium - ε 1 b k a k 5.. Newtonova metoda - aproximace přímkou tečnou, podmínka f x 0 f x 0 > 0 -.řádu, tzn., že konverguje kvadraticky (chyba e k+1 ~e k ) - stop kritérium např. f x k + 1 ε - + rychlá konvergence - - v každém kroku nutné znát 3 hodnoty a předpis pro 1. derivaci - - ne vždy konverguje 5.3. Metoda sečen - + náhrada za Newtonovu metodu, neznáme-li předpis pro 1. derivaci - + vyčíslování jen hodnot - - ne vždy konverguje, pomalejší konvergence, řád 1,6 - zaručení konvergence body x 0 a x 1 blízko x* - stop kritérium - x k+1 x k ε 5.4. Regula falsi - metoda sečen hlídající znaménka - interval zvolen, aby f(x 0 )f(x 1 )<0 (podobnost s ijekcí) - stop kritérium jako u metody sečen

5.5. Metoda inverzní kvadratické interpolace - použití 3 bodů k získání dalšího (aproximace parabolou) - řád 1,8 - y=x nemusí mít vždy kořen, proto se vezme její inverzní funkce x=y P (y) x k+1 x k- x* x k-1 x k f(y) 5.6. Prostá iterace - generování posloupnosti x i+1 = g x i - hledání průsečíků funkcí x a g(x) - podmínky konvergence g x < 1 g x ε a, b xε a, b - konvergence mění se v závislosti na hodnotách derivací g(x*) 5.7.??? 5.8. Určení x 0-1 nelin. rovnice rozdílnost znamének (bijekcí) - soustava nelin. rovnic aproximace na lineární 5.9. Newtonova metoda pro nelin. rovnice - tečná rovina Taylorův polynom 1. stupně - konvergence kvadratická, pouze pokud je počáteční aproximace dostatečně blízko hledanému kořenu - řád - stop kritérium funkční hodnota aproximace < ε 5.10. Modifikace N. metody - Tlumená N. metoda - N. metoda s lokálně omezeným krokem - použití v případě, že počáteční aproximace je vzdálena od hledaného kořene 5.11. Prostá iterace pro soustavu nelin. rovnic - x k+1 = g(x k ) x k vektor g(x k ) matice - podmínky konvergence g x ε Ω x Ω ; g x < 1 x ε Ω

6. Optimalizace 6.1. Zlatý řez - a, b u = a + ; v = b ; = 0,38 b a - konverguje pomalu - stop kritérium - u k v k ε a 0 u 0 v 0 a 0 h a 1 u 1 v 1 b 1 6.. Kvadratická interpolace - máme 3 body, proložíme jimi parabolu, nalezneme její minimum lepší aproximace - konverguje rychleji než zlatý řez - stop kritérium - x k+1 x k ε 6.3. Nelder-Meadova metoda (Simplexová metoda) - E expanze - R reflexe - CE vnější kontrakce - CI vnitřní kontrakce - I redukce - stop kritérium x i x B < ε 1 f x i f(x B ) < ε x i x B 6.4. Metoda největšího spádu - x k+1 = x k + λd k d k = grad f(x k ) - A řez A-A A x 0 d 0 posunutí o vektor λ d 0 x 1 λ

6.5. Cik-cak efekt 6.6. Newtonova metoda - hledání minima x* jako řešení soustavy nelineárních rovnic - pokud je x 0 blízko x*, konverguje kvadraticky 6.7. Spolehlivost metod - MNS spolehlivá (kromě cik-cak efekt) - Newton nemusí konvergovat - spojení MNS NM je efektivnější 6.8.???