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

Podobné dokumenty
Numerická matematika 1

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

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

Numerické metody a programování. Lekce 7

Newtonova metoda. 23. října 2012

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

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

Numerické řešení nelineárních rovnic

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

metoda Regula Falsi 23. října 2012

Řešení nelineárních rovnic

VYBRANÉ PARTIE Z NUMERICKÉ MATEMATIKY

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


Moderní numerické metody

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

Důvodů proč se zabývat numerickou matematikou je více. Ze základní školy si odnášíme znalost, že číslo

Numerické řešení rovnice f(x) = 0

MATLAB a numerické metody

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

Soustavy nelineárních rovnic pomocí systému Maple. Newtonova metoda.

Numerické řešení diferenciálních rovnic

Numerická matematika Banka řešených příkladů

Hledání extrémů funkcí

Numerické řešení nelineárních rovnic

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

10 Funkce více proměnných

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2014/2015

DRN: Kořeny funkce numericky

Aplikovaná numerická matematika - ANM

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

Co je obsahem numerických metod?

3. Přednáška: Line search

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

Soustavy lineárních rovnic-numerické řešení. October 2, 2008

Otázku, kterými body prochází větev implicitní funkce řeší následující věta.

stránkách přednášejícího.

Základní spádové metody

Připomenutí co je to soustava lineárních rovnic

Princip řešení soustavy rovnic

Numerické řešení nelineárních rovnic

Iterační metody řešení soustav lineárních rovnic. 27. prosince 2011

Soustavy lineárních rovnic-numerické řešení

Čebyševovy aproximace

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

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE. Metody pro výpočet kořenů polynomů

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

l, l 2, l 3, l 4, ω 21 = konst. Proved te kinematické řešení zadaného čtyřkloubového mechanismu, tj. analyticky

úloh pro ODR jednokrokové metody

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

Interpolace, ortogonální polynomy, Gaussova kvadratura

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

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.

Texty k přednáškám z MMAN3: 4. Funkce a zobrazení v euklidovských prostorech

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

Numerická matematika Písemky

f(c) = 0. cn pro f(c n ) > 0 b n pro f(c n ) < 0

Numerické metody. Ústav matematiky. 23. ledna 2006

1 Polynomiální interpolace

Obyčejnými diferenciálními rovnicemi (ODR) budeme nazývat rovnice, ve kterých

10. cvičení - LS 2017

Numerické řešení soustav lineárních rovnic

Projekt OPVK - CZ.1.07/1.1.00/ Matematika pro všechny. Univerzita Palackého v Olomouci

Numerické metody optimalizace - úvod

Algebraické rovnice. Obsah. Aplikovaná matematika I. Ohraničenost kořenů a jejich. Aproximace kořenů metodou půlení intervalu.

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

Numerické řešení soustav lineárních rovnic

Základy matematické analýzy

5.3. Implicitní funkce a její derivace

Arnoldiho a Lanczosova metoda

Otázky k ústní zkoušce, přehled témat A. Číselné řady

Derivace funkcí více proměnných

Aproximace funkcí. Polynom Φ m (x) = c 0 + c 1 x + c 2 x c m x m. Φ m (x) = c 0 g 0 (x) + c 1 g 1 (x) + c 2 g 2 (x) +...

DRN: Soustavy linárních rovnic numericky, norma

1. Obyčejné diferenciální rovnice

To je samozřejmě základní pojem konvergence, ale v mnoha případech je příliš obecný a nestačí na dokazování některých užitečných tvrzení.

0.1 Úvod do lineární algebry

Diferenciální počet 1 1. f(x) = ln arcsin 1 + x 1 x. 1 x 1 a x 1 0. f(x) = (cos x) cosh x + 3x. x 0 je derivace funkce f(x) v bodě x0.

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

Těleso racionálních funkcí

Semestrální písemka BMA3 - termín varianta A13 vzorové řešení

Soustavy linea rnı ch rovnic

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

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

Určete (v závislosti na parametru), zda daný integrál konverguje, respektive zda konverguje. dx = t 1/α 1 dt. sin x α dx =

Interpolace Lagrangeovy polynomy. 29. října 2012

1 Linearní prostory nad komplexními čísly

Numerické metody lineární algebry

Primitivní funkce a Riemann uv integrál Lineární algebra Taylor uv polynom Extrémy funkcí více prom ˇenných Matematika III Matematika III Program

pouze u některých typů rovnic a v tomto textu se jím nebudeme až na

Věta 12.3 : Věta 12.4 (princip superpozice) : [MA1-18:P12.7] rovnice typu y (n) + p n 1 (x)y (n 1) p 1 (x)y + p 0 (x)y = q(x) (6)

III. MKP vlastní kmitání

Numerické metody řešení nelineárních rovnic

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

Zimní semestr akademického roku 2015/ ledna 2016

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

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

ODR metody Runge-Kutta

Drsná matematika III 3. přednáška Funkce více proměnných: Inverzní a implicitně definovaná zobrazení, vázané extrémy

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

Transkript:

1 / 40 regula Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering Czech Technical University in Prague

regula 1 2 3 4 5 regula 6 7 8 2 / 40

2 / 40 regula Iterační pro nelineární e Bud f reálná funkce jedné reálné proměnné. Budeme hledat řešení e f (x) = 0. se skládá ze dvou kroků: separace nekonvergují globálně, tj. pro libovolné x 0, jako pro linerání soustavy nejprve tedy musíme najít interval nebo intervaly, tak že obsahují vždy jen jeden kořen e výpočet kořene se zadanou přesností Kořen e budeme značit jako α.

3 / 40 regula separaci dokážeme provést jen pro algebraické e např. pomocí Sturmových posloupností viz Wikipedie, Numerical Recipes. obecně to ale nejde a musíme mít nějaký předběžný odhad podle řešené úlohy bez něj často nejsme schopní tyto e řešit To, že separaci lze provést a za jakých podmínek, říká následující věta:

4 / 40 regula Theorem 1 Necht f je reálná funkce jedné reálné proměnné, spojitá na intervalu < a, b > a necht f (a)f (b) < 0. Potom e f (x) = 0 má na (a, b) alespoň jeden kořen a pokud navíc f (x) na (a, b) nemění znaménko, pak je tento kořen jediný. budeme konstruovat posloupnost {x k } k=1, která bude konvergovat ke kořenu e

5 / 40 Výpočet kořene - regula nejjednodušší pro výpočet kořene je pomalá, ale poměrně dost robustní konstrujeme posloupnost krajních mezí intervalů < l k, r k >, ve kterém se nachází kořen každý následující interval má poloviční délku toho předchozího

6 / 40 regula volíme l 0 = a a r 0 = b v každé iteraci pak počítáme Výpočet kořene - x k = l k + r k, 2 { xk pokud sign f (x l k+1 := k ) = sign f (l k ), l k jinak { xk pokud sign f (x r k+1 := k ) = sign f (r k ), r k jinak

7 / 40 Výpočet kořene - regula označíme-li I k =< l k, r k >, pak vždy platí, že α I k a α x k I k = b a 2 k 0

8 / 40 regula Výpočet kořene - Example 2 Použijte metodu pro nalezení kořene polynomu x 3 + 4x 2 10 v intervalu < 1, 2 > (α 1.3652). k l k r k f (l k ) f (r k ) x k f (x k ) 1 1.0 2.0 5.0 14.0 1.5 2.375 2 1.0 1.5 5.0 2.375 1.25 1.796875 3 1.25 1.5 1.796875 2.375 1.375 0.162109375 4 1.25 1.375 1.796875 0.162109375 1.3125 0.848388671875

9 / 40 regula Výpočet kořene - Remark 3 koverguje i pro úlohu tan x = 0, pro l 0 = 1, r 0 = 3. Posloupnost x k konverguje k π 2, což ale samozřejmě není kořen. V této úloze jsme ale porušili předpoklad spojitosti funkce f (x) na odseparovaném intervalu.

10 / 40 regula Iterativní pro hledání abychom urychlili konvergenci, využijeme více informací o funkci f, než jen její znaménko v bodě x k máme-li určité x k, ptáme se, jak nejlépe ho změnit, aby se nové x k+1 co nejlépe přiblížilo k α pokud je f diferencovatelná, pak platí 0 = f (α) = f (x k ) + f (ξ) (α x k ), α x k = f (x k) f (ξ), α = x k f (x k) f (ξ) f (ξ) ale neznáme, lze ho napočítat jen přibližně označme aproximaci f (ξ) jako q k dostáváme obecný předpis x k+1 = ϕ (x k ) = x k f (x k) q k.

11 / 40 Iterativní pro hledání regula vidíme, že platí ϕ (α) = α otázka je, za jaké podmínky bude s tímto předpisem konvergovat

12 / 40 regula Iterativní pro hledání Theorem 4 Necht platí ϕ (α) = α, ϕ je diferencovatelná na okolí V = {x R x α r} < α r, α + r >, a necht pro všechna x V je ϕ (x) K < 1. Potom posloupnost {x k } k=1 daná vztahem x k+1 = ϕ (x k ), konverguje k α pro libovolné x 0 V.

13 / 40 regula Iterativní pro hledání Remark 5 Je-li ϕ (x) spojitá na nějakém okolí α, pak posloupnost {x k } k=1 konverguje, je-li ϕ (α) < 1. Definition 6 Řekneme, že iterativní daná vztahem x k+1 = ϕ (x k ) má řád konvergence m, jestliže platí x k+1 α C x k α m.

14 / 40 regula Iterativní pro hledání Remark 7 Necht ϕ má na okolí α spojité derivace do řádu m včetně (tj. ϕ C (m) (H α )) a platí a ϕ (α) = ϕ (α) =... = ϕ (m 1) (α) = 0, ϕ (m) (x) 0, na H α. Pak pro libovolne x k H α platí x k+1 α = ϕ (x k ) ϕ (α) = = ϕ (α) (x k α) +... + ϕ(m 1) (α) (x k α) m 1 (m 1)! + ϕ(m) (ξ) (x k α) m m! = ϕ(m) (ξ) (x k α) m. m!

15 / 40 regula Iterativní pro hledání Remark 8 Bud funkce f C (1) (R) a necht f (α) 0. Pak platí: a tedy f (x k ) = f (α) +f (ξ)(x }{{} k α) =0 x k α f (x k) f (ξ) C f (x k). Jako odhad chyby a zároveň kritérium pro zastavení výpočtu proto bereme f (x k ).

16 / 40 regula regula u této definujeme x 0 = l 0 = a, x 0 = r 0 = b vytvoříme úsečku mezi body (x 0, f (x 0 )) a ( x 0, f ( x 0 )) protože f (x 0 ) a f ( x 0) mají různá znaménka, úsečka musí protnout osu x, tento průsečík označíme jako x 1 dále definujeme { x1 pokud sign f (x l 1 := 1 ) = sign f (l 0 ), l 0 jinak { x1 pokud sign f (x r 1 := 1 ) = sign f (r 0 ), r 0 jinak x 1 := { l1 pokud sign f (x 1 ) = sign f (r 1 ), r 1 jinak celý postup pak iterativně opakujeme

17 / 40 regula regula e úsečky mezi (x k, f (x k )) a ( x k, f ( x k)) má tvar y (x) = f (x k ) + f (x k) f ( x k ) x k x k (x x k ) položíme y (x) = 0 a řešíme i 0 = f (x k ) + f (x k) f ( x k ) x k x k (x k+1 x k ) výsledkem je x k x k x k+1 = x k f (x k ) f ( )f x k (x k ) zobrazení ϕ má tvar x x k ϕ (x) = x f (x) f ( )f x k (x)

18 / 40 regula regula definujeme { xk+1 pokud sign f (x l k+1 := k+1 ) = sign f (l k ), l k jinak { xk+1 pokud sign f (x r k+1 := k+1 ) = sign f (r k ), r k jinak x k+1 := { lk+1 pokud sign f (x k+1 ) = sign f (r k+1 ), r k+1 jinak jinými slovy je x k poslední napočítaný člen s opačným znaménkem než má x k

19 / 40 regula Example 9 Použijte metodu regula pro nalezení kořene polynomu x 3 + 4x 2 10 v intervalu < 1, 2 > (α 1.3652). regula k l k r k f (l k ) f (r k ) x k x k 0 1.0 2.0 5.0 14.0 1.0 2.0 1 1.26315789474 2.0 1.60227438397 14.0 1.26315789474 2.0 2 1.26315789474 1.42906437248 1.60227438397 1.08737088326 1.42906437248 1.26315789474 3 1.36199163414 1.42906437248 0.0533917829598 1.08737088326 1.36199163414 1.42906437248 4 1.36513087878 1.42906437248 0.00163697021424 1.08737088326 1.36513087878 1.42906437248

20 / 40 regula regula Theorem 10 Necht platí existuje otevřené okolí H α bodu α takové, že f C (1) (H α ) tj. na H α existuje derivace f a je zde spojitá, f (α) 0. Pak existuje r takové, že V α {x R x α < r} H α. a regula konverguje, pro libovolné x 0 V α s rychlostí prvního řádu.

21 / 40 regula u Newtonovy volíme x 0 = a pro k = 0, 1,... konstruujeme tečny ke grafu funkce v bodě x k a tam, kde se tečna protne s osou x definujeme nový bod x k+1 e tečny má tvar pro y (x) = 0 dostáváme y (x) = f (x k ) + f (x k ) (x x k ) 0 = f (x k ) + f (x k ) (x k+1 x k )

22 / 40 regula tedy platí zobrazení ϕ má tvar x k+1 = x k f (x k) f (x k ) ϕ (x) = x f (x) f (x)

23 / 40 Example 11 Použijte Newtonovu metodu pro nalezení kořene polynomu x 3 + 4x 2 10 v intervalu < 1, 2 > (α 1.3652). regula k x k f (x k ) f (x k ) 0 1.0 5.0 11.0 1 1.45454545455 1.54019534193 19.4381678093 2 1.37530983126 0.16727562303 16.676910046 3 1.36527945857 0.000816527384453 16.5141996685 4 1.36523001461 1.97484268938 10 8 16.5133990953

24 / 40 regula Theorem 12 Necht platí existuje otevřené okolí H α bodu α takové, že f C (1) (H α ) tj. na H α existuje derivace f a je zde spojitá, f (α) 0. Pak existuje r takové, že V α {x R x α < r} H α. a konverguje, pro libovolné x 0 V α s rychlostí prvního řádu.

25 / 40 regula Theorem 13 Necht platí existuje otevřené okolí H α bodu α takové, že f C (2) (H α ) tj. na H α existuje první a druhá derivace f a f a jsou zde spojité, f (α) 0. Pak existuje r takové, že V α {x R x α < r} H α. a konverguje, pro libovolné x 0 V α s rychlostí druhého řádu.

26 / 40 regula Remark 14 tedy za vhodných podmínek konverguje rychleji, než Regula nebo. Vyžaduje ale přesnější počáteční odhad řešení x 0, tj. V α může být výrazně menší než u Regula.

27 / 40 regula Example 15 Bude konvergovat v případě těchto dvou úloh? 1 x 3 = 0 2 x 2 = 0

28 / 40 Čebyševova regula Remark 16 Pomocí Čebyševovy lze odvodit ještě. Ty ale v praxi nejsou příliš užitečné, nebot vyžadují ještě přesnější odhad kořene e a navíc se v něm vyskytují vyšší derivace funkce f. Kvadratická konvergence Newtonovy je v praxi naprosto postačující.

29 / 40 Globálně regula Definition 17 Pod pojmem globálně pro řešení budeme rozumět, které pro libovolnou volbu počátečního odhadu kořene x 0 bud konvergují nebo algoritmicky selžou. Remark 18, které jsme si ukázaly, často nekonvergují z jednoho důvodu. Pohybují se sice ve správném směru, ale dělají příliš veliký skok. Tím pádem kořen α přeskočí a získají nový odhad, který je horší, než ten předchozí. m je, zamyslet se lépe nad velikostí kroku mezi x k a x k+1.

regula Globálně Line search algoritmus Algorithm 1 Line search 1: r 0 = f (x) 2: while r 0 > ɛ do 3: if f (x) = 0 then 4: return EXIT_FAILURE; 5: end if 6: d = f (x)/f (x) 7: x t = x + d 8: while f (x t ) f (x) do 9: d = d/2 10: x t = x + d 11: end while 12: x = x t 13: r 0 = f (x) 14: end while 30 / 40

regula pro řešení soustav Iterativní pro řešení soustav algebraických a transcendentních Remark 19 Mějme reálné funkce reálných proměnných f 1,..., f n : R n R. Hledáme řešení soustavy : f 1 (x 1,..., x n ) = 0, f 2 (x 1,..., x n ) = 0,.. f n (x 1,..., x n ) = 0. budeme značit a = (a 1,..., a n ) T. Jeho separace je v tomto případě často ještě obtížnější. Přesto pro naše úvahy budeme předpokládat existenci oblasti H R n (=otevřená souvislá množina) takové, že a G. 31 / 40

32 / 40 regula pro řešení soustav Remark 20 Provedeme formální zobecnění Newtonovy : [ x (k+1) = x (k) J f ( x (k))] 1 ( f x (k)), kde J f ( x (k)) je Jacobiho matice tj. resp. ( J f J f ( x (k)) = ( x (k))) ij = f ( i x (k)). x j f 1( x (k) ) x 1.... f n( x (k) ) x 1... f 1( x (k) ) x n. f n( x (k) ) x n

33 / 40 regula pro řešení soustav Remark 21 Pro praktické počítání je výhodnější následující tvar J f ( x (k)) ( x (k+1) x (k)) = ( f x (k)). Označíme-li x (k) = x (k+1) x (k), lze přepsat metodu do dvou kroků: Algorithm 2 pro systémy 1: Vyřeš lineární systém: J f ( x (k)) x (k) = f ( x (k)) 2: Iteruj: x (k+1) = x (k) + x (k)

34 / 40 pro řešení soustav regula Remark 22 Výhodou je, že jsme výpočet inverzní matice převedli na řešení lineárního systému. K tomu lze použít i některou z iteračních metod. Jelikož systém v prvním kroku nemusí být nutně řešený s maximální přesností, stačí často udělat jen pár iterací a výpočet se tím značně urychlí oproti výpočtu inverze matice pomocí Gaussovy eliminace.

35 / 40 pro řešení soustav regula Theorem 23 Bud funkce f C (1) (H), kde H je konvexní oblast. Pak pro každé u, v H existuje ξ H takové, že f ( u) f ( v) = f ( ξ)( u v).

36 / 40 regula Theorem 24 Necht platí pro řešení soustav existuje otevřené okolí H a bodu a takové, že f C (1) (H a ) tj. na H a existují všechny parciální derivace prvního řádu a jsou zde spojité, J f ( a ) je regulární. Pak existuje r takové, že V a { x R n x a < r } H a, a konverguje, pro libovolné x (0) V a s rychlostí prvního řádu.

37 / 40 regula Theorem 25 Necht platí pro řešení soustav existuje otevřené okolí H a bodu a takové, že f C (2) (H a ) tj. na H a existují všechny parciální derivace prvního a druhého řádu a jsou zde spojité, J f ( a ) je regulární. Pak existuje r takové, že V a { x R n x a < r } H a, a konverguje, pro libovolné x (0) V a s rychlostí druhého řádu.

38 / 40 pro řešení soustav regula Remark 26 I na Newtonovu metodu pro systémy lze aplikovat line search algoritmus. Získáme tak globálně metodu.

39 / 40 regula Example 27 Pomocí Newtonovy řešte soustavu : pro řešení soustav f 1 (x, y) = x 3 + 4y 2 + x y 4 = 0, f 2 (x, y) = x 4 + 2y 3 x + y + 2 = 0, s počátečním odhadem x (0) = ( 1, 1) T. : (napočítáme jen jednu iteraci) ( ) f1 f 1 x y J f = f 2 f 2 x y f ( x (0) ) = ( 3, 7) T, J f ( x (0) ) = ( 3x = 2 ) + 1 8y 1 4x 3, 1 6y + 1 ( ) 4 7, 5 7 Řešíme tedy úlohu J f ( x (0) ) x (0) = f ( x (0) ), tj.: ( ) ( ) ( ) 4 7 x (0) 3 5 7 y (0) =, 7 Dostáváme x (0) = 1 18 ( 2, 17)T a tedy x (1) = x (0) + x (0) = 5 18 ( 4, 7)T. Potom je f ( x (1) ) = (11.66, 19.06) T.

40 / 40 regula Shrnutí a otázky: regula pro řešení soustav jak se při praktických výpočtech liší podmínky konvergence regula a Newtonovy? jaké jsou výhody a nevýhody metod? globálně pro systémy jak se dá efektivně vyhnout napočítávání inverzní matice?