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

Podobné dokumenty
Numerické metody lineární algebry

Numerické metody lineární algebry

Numerické metody a programování. Lekce 4

Připomenutí co je to soustava lineárních rovnic

Numerické metody a programování

VYBRANÉ PARTIE Z NUMERICKÉ MATEMATIKY

Co je obsahem numerických metod?

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

Aplikovaná numerická matematika - ANM

DRN: Soustavy linárních rovnic numericky, norma

Soustavy lineárních rovnic-numerické řešení. October 2, 2008

Numerické řešení soustav lineárních rovnic

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

4. Trojúhelníkový rozklad p. 1/20

Numerické řešení soustav lineárních rovnic

stránkách přednášejícího.

Soustavy lineárních rovnic-numerické řešení

Maticí typu (m, n), kde m, n jsou přirozená čísla, se rozumí soubor mn veličin a jk zapsaných do m řádků a n sloupců tvaru:

Cvičení 5 - Inverzní matice

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

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

Soustavy linea rnı ch rovnic

Matematika 1 MA1. 2 Determinant. 3 Adjungovaná matice. 4 Cramerovo pravidlo. 11. přednáška ( ) Matematika 1 1 / 29

Čebyševovy aproximace

Hledání extrémů funkcí

(Cramerovo pravidlo, determinanty, inverzní matice)

Matematika B101MA1, B101MA2

Základy maticového počtu Matice, determinant, definitnost

Soustava m lineárních rovnic o n neznámých je systém

SOUSTAVY LINEÁRNÍCH ALGEBRAICKÝCH ROVNIC

Operace s maticemi

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.

0.1 Úvod do lineární algebry

D 11 D D n1. D 12 D D n2. D 1n D 2n... D nn

[1] LU rozklad A = L U

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

Uspořádanou n-tici reálných čísel nazveme aritmetický vektor (vektor), ā = (a 1, a 2,..., a n ). Čísla a 1, a 2,..., a n se nazývají složky vektoru

Determinanty. Obsah. Aplikovaná matematika I. Pierre Simon de Laplace. Definice determinantu. Laplaceův rozvoj Vlastnosti determinantu.

Globální matice konstrukce

2.6. VLASTNÍ ČÍSLA A VEKTORY MATIC

Operace s maticemi. 19. února 2018

Princip řešení soustavy rovnic

vyjádřete ve tvaru lineární kombinace čtverců (lineární kombinace druhých mocnin). Rozhodněte o definitnosti kvadratické formy κ(x).

Matice. Modifikace matic eliminační metodou. α A = α a 2,1, α a 2,2,..., α a 2,n α a m,1, α a m,2,..., α a m,n

Iterační metody řešení soustav lineárních rovnic. 27. prosince 2011

Soustavy lineárních rovnic

Definice 13.1 Kvadratická forma v n proměnných s koeficienty z tělesa T je výraz tvaru. Kvadratická forma v n proměnných je tak polynom n proměnných s

Matematika 2 pro PEF PaE

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

0.1 Úvod do lineární algebry

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

2. Schurova věta. Petr Tichý. 3. října 2012

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

AVDAT Vektory a matice

Soustavy. Terminologie. Dva pohledy na soustavu lin. rovnic. Definice: Necht A = (a i,j ) R m,n je matice, b R m,1 je jednosloupcová.

Úlohy nejmenších čtverců

MATICE. a 11 a 12 a 1n a 21 a 22 a 2n A = = [a ij]

1 Determinanty a inverzní matice

Arnoldiho a Lanczosova metoda

Matematika (CŽV Kadaň) aneb Úvod do lineární algebry Matice a soustavy rovnic

P 1 = P 1 1 = P 1, P 1 2 =

Afinita je stručný název pro afinní transformaci prostoru, tj.vzájemně jednoznačné afinní zobrazení bodového prostoru A n na sebe.

1 Vektorové prostory.

Základy matematiky pro FEK

Soustavy lineárních rovnic a determinanty

VI. Maticový počet. VI.1. Základní operace s maticemi. Definice. Tabulku

Numerická matematika Banka řešených příkladů

1 Projekce a projektory

[1] Determinant. det A = 0 pro singulární matici, det A 0 pro regulární matici

12. Determinanty. 12. Determinanty p. 1/25

Vektory a matice. Obsah. Aplikovaná matematika I. Carl Friedrich Gauss. Základní pojmy a operace

SOUČIN MATIC A m n B n p = C m p, přičemž: a i1 b 1j +a i2 b 2j + +a in b nj = c ij, i=1 m, j=1 p. Např: (-2) = -3

Řešení. Hledaná dimenze je (podle definice) rovna hodnosti matice. a a 2 2 1

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

Matematika 2 (Fakulta ekonomická) Cvičení z lineární algebry. TU v Liberci

Podobnostní transformace

ekologie Pavel Fibich Vektor a Matice Operace s maticemi Vlastnosti matic Pavel Fibich Shrnutí Literatura

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

Fakt. Každou soustavu n lineárních ODR řádů n i lze eliminací převést ekvivalentně na jednu lineární ODR

Soustavy lineárních rovnic

Lineární algebra. Soustavy lineárních rovnic

Vlastní číslo, vektor

Jedná se o soustavy ve tvaru A X = B, kde A je daná matice typu m n,

2.6. Vlastní čísla a vlastní vektory matice

Učební texty k státní bakalářské zkoušce Matematika Vlastní čísla a vlastní hodnoty. študenti MFF 15. augusta 2008

10. Soustavy lineárních rovnic, determinanty, Cramerovo pravidlo

Kapitola 11: Vektory a matice:

Obsah. Lineární rovnice. Definice 7.9. a i x i = a 1 x a n x n = b,

Matice přechodu. Pozorování 2. Základní úkol: Určete matici přechodu od báze M k bázi N. Každou bázi napíšeme do sloupců matice, např.

11 Analýza hlavních komponet

Slajdy k přednášce Lineární algebra I

Necht tedy máme přirozená čísla n, k pod pojmem systém lineárních rovnic rozumíme rovnice ve tvaru

Dosud jsme se zabývali pouze soustavami lineárních rovnic s reálnými koeficienty.

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

Symetrické a kvadratické formy

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

Linearní algebra příklady

Kapitola 5. SLAR - gradientní metody

DEFINICE Z LINEÁRNÍ ALGEBRY

1. Jordanův kanonický tvar

Transkript:

LU dekompozice Jedná se o rozklad matice A na dvě trojúhelníkové matice L a U, A=LU. Matice L je dolní trojúhelníková s jedničkami na diagonále a matice U je horní trojúhelníková. a a2 a3 a 2 a 22 a 23 0 0 u2 u3 a 3 a 32 a 33=l 2 0 0 u 22 u 23 l 3 l 32 u 0 0 u 33 Soustava Ax=b se řeší rozkladem LUx=LU x=b a pokud se označí U x=y, řeší se nejprve L y=b a poté U x=y. Matice U i L jsou trojúhelníkové, řešení těchto dvou rovnic je jednoduchá úloha. Problém spočívá v nalezení matic U a L. Z rovnice A=L U vynásobením matic L a U dostaneme vztah n a ij = l ik přičemž z definic matic L a U plyne: pro ki l ik =0 pro k=i l ik = pro ki l ik R pro k j =0 pro k j R Z dosazení těchto vztahů do sumy plynou vztahy: pro i j pro i j i a ij =u ij l ik j a ij =l ij u jj l ik Croutův algoritmus postupný výpočet matic řádcích odshora. Prostým vyjádřením u ij a l ij z předchozích vztahů dostaneme j u ij =a ij l ik L a U po sloupcích zleva a po pro i=,, j

a l ij = u jj j a ij l ik u kj pro i= j,, n. Všimněte si, že k výpočtu l ij i u ij je potřeba znát z matice A pouze prvek a ij. Proto se kvůli úspoře paměti někdy matice L a U konstruují přímo v matici A. Schéma konstrukce matic L a U podle Croutova algoritmu je následující: Hledání hlavních prvků je možné pouze sloupcové, úplný pivoting možný není. Bez pivoting Croutův algoritmus nepoužitelný. Detaily v okomentovaném příkladu v PASCALU DEMLU.PAS. Vyhody LU dekompozice jsou: v LU rozkladu se nepočítá s pravou starnou výsledek lze iterativně zpřesnit

Podmíněnost matice Chyby v zadání úlohy a zaokrouhlovací chyby vedou k tomu, že místo soustavy Ax=b v podstatě řešíme soustavu A Axx=bb. Budeme nejprve pro zjednodušení předpokládat A=0. Z rovnice Ax=b plyne x b A. Z rovnic Ax=b a A Axx=bb pak plyne x= A b z čehož pak plyne x A b. Z obou nerovností, týkajících se norem pak vyplývá x x A A b b. Číslo C p = A A se pak nazývá podmíněností matice A. Pokud platí C p, matice se nazývá špatně podmíněná a i pro malé zaokrouhlovací chyby nebo malé nepřesnosti v zadání může být chyba výsledku veliká. (Týká se to i metod používajících pivoting.) Co znamená špatná podmíněnost? Ať vezmeme jakoukoli z norem, musí být v obou maticích A i A nějaké veliké číslo. Zároveň také platí A A=I. Př: Pokuste se vymyslet špatně podmíněnou matici řádu 2. Např: A= 00.00 0.0, A = Všimněte si, že druhý řádek v matici 0 00 00000, C p 07. A je téměř násobkem prvního. Navíc je druhý řádek přibližně 00 menší než první. Srovnejte s podmíněnost matice A= 00 00., C p 0 5.

Typickým příkladem skoro vždy špatně podmíněné matice je matice Van der Mondova, která vypadá následovně: 0 x 0 x 2 0 x N x x 2 x N N x c x 2 c x N N N= b 2 b N 2 c b Demonstrace v PASCALU v příkladu DEMPOD.PAS. V DEMPOD.PAS je řešení pomocí LU dekompozice s pivotingem. Přesto např. po zadání matice 4 4 s x =.00 a x n =.0 a nějaké pravé strany vyjde řešení úplně jiné. Řešení Van der Mondovy matice LU dekompozicí s iterativním zpřesněním výsledku v příkladu DEMZPR.PAS. Iterativní zpřesnění LU dekompozice Řešením soustavy Ax=b vyjde nepřesné řešení x=x x. Protože Ax x=bb, platí tedy Ax=b a b= A x b, můžeme z nepřesného řešení x vypočítat x a řešení zpřesnit x= x x. Tento postup lze opakovat a dosáhnout tak ve výsledku požadované přesnosti. Výpočet determinantu a inverzní matice Gauss Jordan přímý výpočet inverzní matice Gauss a LU řešení soustavy s n pravými stranami tvořenými vektory standardní báze n Determinant nejlépe z LU dekompozice det A=det L det U= u ii i= řádků = obrácení znaménka.. Prohození Speciální soustavy Řídká matice má většinu prvků nulových. Často se používají gradientní metody. Pásová matice je, pokud a ij =0 pro i j p : třídiagonální p= pětidiagonální p=2

V praxi časté u tridiagonálních matic téměř nikdy není třeba pivoting. Řešení soustavy s tridiagonální maticí: a b 0 0 x c 2 a 2 b 2 0 x 2 4= f f 2 4 0 c 3 a 3 b 3 x 3 f 3 x f řešení hledáme ve tvaru x k = k x k k, dosadíme do i té rovnice 0 0 c 4 a 4 i x i i a i x i b i x i = f i a vyjádříme x i x i = b i i a i x i f i i i a i. Z toho tedy plyne, že i = b i i a i a i = f i i i a i. Startujeme tedy od 0 s tím, že =0, b n =0 a 0, 0 R a spočítáme všechny koeficienty i a i. Pak provádíme zpětný chod s tím, že volíme x n libovolně a postupně dopočítáváme jednotlivá x i. Příklad v PASCALU RESTRID.PAS. Úlohy s 0 nebo řešeními Používá se tzv. SVD (Singular value decomposition) metoda. řešení určí řešení s nejmenší Eukleidovskou normou a bázi nulprostoru 0 řešení najde řešení ve smyslu nejmenších čtverců x takové, že minimalizuje Ax b III. SVD hledá řešení rozkladem matice A na A=U W V T (matice U a V jsou ortogonální, matice W je diagonální). Pak x=v [diag/w j ] U T b. Další informace o SVD v Numerical Recipies. Příklad v PASCALU SVDUKAZ.PAS, hledání řešení ve smyslu nejmenších čtverců. Vstupní soubory MATSVD.DAT a MATSVD.DAT.

Náročnost metod na počet operací Gauss Jordan ~n 3 Gauss, LU dopředný běh ~ 3 n3, zpětný běh ~ 2 nn Dokázána existence metody ~n log 7 2 n 2.8 Gradientní metody (v podstatě se jedná také o iterace) Rovnice Ax=b se řeší minimalizací např. funkce f x= 2 Ax b 2. Hledání gradientu funkce f x ve 2D : f = f x x f x 2 2 x, f x x 2 f 2 f x = funkce f x ve směru gradientu nejvíc roste, v opačném směru nejvíc ubývá volíme tedy x 0 a pak x =x 0 f, je lépe před použitím gradient normalizovat x =x 0 f f. x 2

Iterační metody řešení soustav lineárních rovnic Matice je: diagonálně dominantní právě tehdy, když a ii n j=, j i a ij pozitivně definitní (symetrická matice) právě tehdy, když pro x 0 platí x, Ax0. Tyto vlastnosti budou důležité pro zaručení konvergence iteračních metod. Postup: zvolí odhad řešení x 0 (pokud odhad neznáme tak libovolné číslo)

předpokládáme x k =B k x k c k pro správné řešení musí platit x =B k x c k, tedy x k x=b k x k x=b k B k x k x=b k B 0 x 0 x požadujeme, aby pro rostoucí k šlo k 0 pro konvergenci je tedy nutné a stačí, aby lim B k B 0 =0 k Metody: nestacionární matice B v každém kroku jiná stacionární matice B pořád stejná