Soustavy lineárních rovnic-numerické řešení. October 2, 2008

Podobné dokumenty
Soustavy lineárních rovnic-numerické řešení

Připomenutí co je to soustava lineárních rovnic

Co je obsahem numerických metod?

Aplikovaná numerická matematika - ANM

Iterační metody řešení soustav lineárních rovnic. 27. prosince 2011

DRN: Soustavy linárních rovnic numericky, norma

0.1 Úvod do lineární algebry

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

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

Soustavy lineárních rovnic

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

SOUSTAVY LINEÁRNÍCH ALGEBRAICKÝCH ROVNIC

Numerické řešení soustav lineárních rovnic

0.1 Úvod do lineární algebry

Soustavy lineárních rovnic

(Cramerovo pravidlo, determinanty, inverzní matice)

Numerické řešení soustav lineárních rovnic

Matematika B101MA1, B101MA2

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

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

VYBRANÉ PARTIE Z NUMERICKÉ MATEMATIKY

1 Determinanty a inverzní matice

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

Numerické metody a programování. Lekce 4

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

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

Cvičení 5 - Inverzní matice

Cvičení z Numerických metod I - 12.týden

Numerické metody lineární algebry

1. LINEÁRNÍ ALGEBRA Vektory Operace s vektory... 8 Úlohy k samostatnému řešení... 8

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

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

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

10. Soustavy lineárních rovnic, determinanty, Cramerovo pravidlo

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

4. Trojúhelníkový rozklad p. 1/20

8 Matice a determinanty

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

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

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

Soustava m lineárních rovnic o n neznámých je systém

Princip řešení soustavy rovnic

Lineární algebra. Matice, operace s maticemi

Newtonova metoda. 23. října 2012

Numerické metody a programování

SOUSTAVY LINEÁRNÍCH ALGEBRAICKÝCH ROVNIC

Numerická matematika Písemky

Základy maticového počtu Matice, determinant, definitnost

VĚTY Z LINEÁRNÍ ALGEBRY

Numerická matematika Banka řešených příkladů

Numerické metody lineární algebry

HODNOST A DETERMINANT MATICE, INVERZNÍ MATICE

Arnoldiho a Lanczosova metoda

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

HODNOST A DETERMINANT MATICE, INVERZNÍ MATICE

Soustavy linea rnı ch rovnic

Základy matematiky pro FEK

stránkách přednášejícího.

Matematika 2 pro PEF PaE

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

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

Symetrické a kvadratické formy

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

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

2.6. VLASTNÍ ČÍSLA A VEKTORY MATIC

1 Vektorové prostory.

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

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

7. Lineární vektorové prostory

Determinant matice řádu 5 budeme počítat opakovaným použitím rozvoje determinantu podle vybraného řádku nebo sloupce. Aby byl náš výpočet

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ. Modernizace studijního programu Matematika na PřF Univerzity Palackého v Olomouci CZ.1.07/2.2.00/28.

Numerická matematika 1

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE. Iterační metody pro řešení systémů lineárních rovnic UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA

Operace s maticemi. 19. února 2018

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.

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

Lineární algebra. Soustavy lineárních rovnic

Lineární algebra - I. část (vektory, matice a jejich využití)

y = Spočtěte všechny jejich normy (vektor je také matice, typu n 1). Řádková norma (po řádcích sečteme absolutní hodnoty prvků matice a z nich

[1] LU rozklad A = L U

Úvod do lineární algebry

11. Soustava lineárních rovnic - adiční metoda

Základy matematiky pro FEK

Čtvercové matice. Čtvercová matice je taková matice, jejíž počet řádků je roven počtu jejích sloupců

ČTVERCOVÉ MATICE. Čtvercová matice je taková matice, kde počet řádků je roven počtu jejích sloupců. det(a) značíme determinant čtvercové matice A

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

1 Soustavy lineárních rovnic

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

Číselné vektory, matice, determinanty

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

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

a + b + c = 2 b + c = 1 a b = a 1 2a 1 + a a 3 + a 5 + 2a 2 + a 2 + a

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

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

1/10. Kapitola 12: Soustavy lineárních algebraických rovnic

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

Lineární algebra Operace s vektory a maticemi

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

Soustavy lineárních rovnic a determinanty

Moderní numerické metody

Transkript:

Soustavy lineárních rovnic-numerické řešení October 2, 2008

(Systém lin. rovnic) Systém rovnic a 11 x 1 + a 12 x 2 + + a 1n x n = b 1 a 21 x 1 + a 22 x 2 + + a 2n x n = b 2... a n1 x 1 + a n2 x 2 + + a nn x n = b n nazveme systém n-lineárnych rovnic s n neznámými.

koeficienty systému - a ij, i, j = 1, 2,..., n matice systému a 11 a 12... a 1n a 21 a 22... a 2n............ a n1 a n2... a nn rozšířená matice systému a 11 a 12... a 1n b 1 a 21 a 22... a 2n b 2.................. a n1 a n2... a nn b n

(Matice, opakování) typy matíc operace s maticemi lin. závislost, nezávislost determinanty

Věta (Základní věta lineární algebry) Systém lineárních rovnic má řešení hodnost matice A je stejná jako hodnost rozšířené matice systému.

(Cramerovo pravidlo) Ak je matica systému regulární, tak systém má jediné řešení x = A 1 b a x = D 1 D, D 2 D,... Dn D

Příklad (Cramerovo pravidlo) Najděte řešení soustavy rovnic: x 1 3x 2 = 7 8x 1 + x 2 = 3

Příklad (Cramerovo pravidlo, řešení) Soustavu rovnic upravíme na rozš. matici systému: ( ) 1 3 7 8 1 3 Abychom mohli využít Cramerova pravidla, tak musí být determinant matice nenulový. Výpočet determinantu matice: D = 1 1 ( 3) 8 = 1 + 24 = 25 0

Příklad (Cramerovo pravidlo, pokr.) Vypočítáme determinant D 1, který vznikl nahrazením prvního sloupce matice soustavy vektorem pravých stran. 7 3 D 1 = = 7 1 ( 3) 3 = 7 + 9 = 16. 3 1 Můžeme vypočítat kořen x 1 soustavy rovnic: x 1 = D 1 D = 16 25. Stejným způsobem vypočítáme i druhý kořen x 2 soustavy rovnic: 1 7 D 2 = = 1 3 7 8 = 3 56 = 53, 8 3 x 2 = D 2 D = 53 25.

(Numerické metody:) přímé Gaussova eliminační metoda Gaussova eliminační metoda s výběrem hlavního prvku iterační Jacobiho metoda Gauss-Seidlova metoda Relaxační metoda

(Gaussova eliminační metoda) Příklad (GEM, zadání) Gaussovou elim. metodou najděte řešení soustavy rovnic: x + 3y 4z = 7 2x 7y + 3z = 1 3x + 4y 7z = 1

Příklad (GEM, řešení) Postupně provádíme elementární ekvivaletní úpravy, až dosáhneme trojúhelníkové matice: 1 3 4 7 2 7 3 1 3 4 7 1

Příklad (GEM, řešení) 1 3 4 7 0 13 11 13 0 5 5 20

Příklad (GEM, řešení) 1 3 4 7 0 13 11 13 0 1 1 4

Příklad (GEM, řešení) 1 3 4 7 0 1 1 4 0 13 11 13 1 3 4 7 0 1 1 4 0 0 2 39

Příklad (GEM, řešení) Z matice v trojuhelníkovém tvaru vyčíslíme x, y a z: ( x + 3 31 ) 2 2z = 39 z = 39 2 ( y 39 ) = 4 2 y = 31 2 ( 4 39 ) 2 = 7 x = 49 2

(Gaussova eliminační metoda s částeč. výběrem hlavního prvku) V prvním kroku vybereme do prvního řádku tu rovnici, která má v absolutní hodnotě u x 1 největší koeficient. Pak eliminujeme x 1 v dalších rovnicích. V dalším kroku si budeme vybírat ze zbylých rovnic tu rovnici do druhého řádku, která má v absolutní hodnotě největší koeficient při x 2. Pak ze zbylých rovnic eliminujeme x 2. A tak dále...

Příklad (GEM s hl. prvkem) 0,14 0,24 0,84 1,11 1,07 0,83 0,56 0,48 0,64 0,43 0,38 0,83

Příklad (GEM s hl. prvkem) 1,07 0,830 0 0,560 0 0,480 0 0,14 0,348 6 0,913 2 1,047 2 0,00 0,926 4 0,714 9 1,117 1

Příklad (GEM s hl. prvkem) 1,07 0,830 0 0,560 0 0,480 0 0,00 0,926 4 0,714 9 1,117 1 0,00 0,000 0 0,644 2 1,467 6

Iterační metody

(Jacobiho metoda) Příklad (Jacobiho metoda, zadání) Jacobiho metodou řešte soustavu rovnic. 10x 1 + x 2 x 3 = 9 x 1 + 20x 2 + x 3 = 42 x 1 + x 2 + 10x 3 = 33

Příklad (Jacobiho metoda, řešení) Z první rovnice si vyjádříme první neznámou, ze druhé rovnice vyjádříme druhou neznámou a ze třetí rovnice vyjádříme poslední neznámou. Toto je soustava rovnic, do které budeme v každém dalším kroku dosazovat. x 1 = 0,1( x 2 + x 3 + 9) x 2 = 0,05(x 1 x 3 + 42) x 3 = 0,1( x 1 x 2 + 33) (1)

Příklad (Jacobiho metoda, řešení) Začneme počáteční aproximací x (0) = (0,9; 2,1; 3,3) a dosadíme do předchozích vztahů pro naše neznámé: x (1) 1 = 0,1( 2,1 + 3,3 + 9) = 1,02 x (1) 2 = 0,05(0,9 3,3 + 42) = 1,98 x (1) 3 = 0,1( 0,9 2,1 + 33) = 3,00 Dostali jsme další aproximaci, kterou opět dosadíme do soustavy rovnic (2). x (2) 1 = 0,1( 1,98 + 3,00 + 9) = 1,002 x (2) 2 = 0,05(1,02 3,00 + 42) = 2,001 x (2) 3 = 0,1( 1,02 1,98 + 33) = 3,000

Příklad (Jacobiho metoda, řešení) V tabulce jsou výsledky z dalších dvou kroků Jacobiho metody. k x (k) 1 x (k) 2 x (k) 3 0 0,9 2,1 3,3 1 1,02 1,98 3,00 2 1,002 2,001 3,000 3 0,999 9 2,000 1 2,999 7 4 0,999 96 2,000 01 3,000 00 Sledujeme rozdíly u každé neznámé ve dvou po sebe jdoucích aproximacích. Metodu ukončíme, když jsou rozdíly v absolutní hodnotě (u každé neznámé) menší než požadovaná přesnost.

Příklad (Jacobiho metoda, divergence) Zde si ukážeme případ, kdy Jacobiho metoda diverguje. x 1 + x 2 + 10x 3 = 33 10x 1 + x 2 x 3 = 9 x 1 + 20x 2 + x 3 = 42 x 1 = x 2 10x 3 + 33 x 2 = 10x 1 + x 3 + 9 x 3 = x 1 20x 2 + 42

Příklad (Jacobiho metoda, divergence) x 1 = 2,1 10 3,3 + 33 = 2,1 x 2 = 10 0,9 + 3,3 + 9 = 3,3 x 3 = 0,9 20 2,1 + 42 = 0,9 x 1 = 3,3 10 0,9 + 33 = 20,7 x 2 = 10 2,1 + 0,9 + 9 = 30,9 x 3 = 2,1 20 3,3 + 42 = 26,1 Příklad (Jacobiho metoda, divergence) x 1 = 30,9 10 ( 26,1) + 33 = 263,1 x 2 = 10 20,7 26,1 + 9 = 224,1 x 3 = 20,7 20 30,9 + 42 = 555,3 Jak je vidět, tak Jacobiho metoda v tomto případě diverguje. Všimněte si, že se jedná o stejnou soustavu jako v předchozím příkladu, jen řádky soustavy jsou v jiném pořadí!

( Gauss-Seidlova metoda) Příklad (Gauss-Seidlova metoda, zadání) Najděte řešení soustavy rovnic Gauss-Seidlovou metodou. 10x 1 + x 2 x 3 = 9 x 1 + 20x 2 + x 3 = 42 x 1 + x 2 + 10x 3 = 33

Příklad (Gauss-Seidlova metoda, řešení) Začneme s počátoční aproximaci řešení x (0) = (0,9; 2,1; 3,3). Při výpočtu x (1) 1 pracujeme s počátoční aproximací, při výpočtu x (1) 2 už využíváme hodnotu x (1) 1 a při výpočtu x (1) 3 využijeme i hodnotu x (1) 2, porovnejte si to s Jacobiho metodou! x (1) 1 = 0,1( x (0) 2 + x (0) 3 + 9) = 0,1( 2,1 + 3,3 + 9) = 1,02 x (1) 2 = 0,05(x (1) 1 x (0) 3 + 42) = 0,05(1,02 3,3 + 42) = 1,986 x (1) 3 = 0,1( x (1) 1 x (1) 2 + 33) = 0,1( 1,02 1,986 + 33) = 2,9994

Příklad (Gauss-Seidlova metoda, řešení) Tabulka výsledků do čtvrtého řádu: k x (k) 1 x (k) 2 x (k) 3 0 0,9 2,1 3,3 1 1,02 1,986 2,999 4 2 1,001 34 2,000 097 2,999 856 3 3 0,999 975 93 2,000 005 98 3,000 001 81 4 0,999 999 58 1,999 999 89 3,000 000 05

(Konvergence a odhad chyb)

(Normy vektorů a matic) sloupcová norma: A 1 = max( n a ij ) j i=1 řádková norma: A = max( n a ij ) i j=1

(Ostře řádkově nebo sloupcově diagonálně dominantní matice) řádkově: n a ii > a ij pro i = 1,..., n j=1,j i sloupcově: n a jj > a ij pro j = 1,..., n i=1,i j

(Pozitivňe definitní matice) Symetrická matice A řádu n se nazývá pozitivně definitní, jestliže pro každý nenulový sloupcový vektor x= (x 1, x 2,...,x n ) T platí x T.A.x> 0

(Iterační matice, příklad na Jacobiho metodu, pokr.) x 1 = 0,1( x 2 + x 3 + 9) x 2 = 0,05(x 1 x 3 + 42) x 3 = 0,1( x 1 x 2 + 33) 0 0, 1 0, 1 C = 0, 05 0 0, 05 0, 1 0, 1 0 (2)

(Odhad chyby Jacobiho a Gauss-Seidlovy metody) x (r) x C 1 C x(r) x (r 1)

(odhad pro příklad na Jacobiho metodu) C = max{ 0, 1 + 0, 1 ; 0, 05 + 0, 05 ; 0, 1 + 0, 1 } = 0, 2. x (4) x (3) = 0, 00006; 0, 00009; 0, 0003 = = max{ 0, 00006 ; 0.00009 ; 0, 0003 } = 0, 0003 x (4) x 0, 2 0, 0003 = 0, 000075. 1 0, 2

(Pravidla) Je-li matice soustavy ostře řádkově nebo sloupcově diagonálně dominantní, Jacobiho aj Gauss-Seidelova metoda konvergují Je-li matice soustavy symetrická a pozitivně definitní Gauss-Seidelova metoda konverguje (Jacobiho metoda konvergovat nemusí) Vynásobíme-li libovolnou regul. čtvercovou matici zleva maticí k ní transponovanou, vzniklá matice je symetrická a pozitivně definitní.

Příklad Všimněte si následující soustavu rovnic: x 1 0,464x 2 = 0,536 2,047x 1 +x 2 0,464x 3 = 2,583 0,464x 1 + +x 3 = 0,536 Zkuste si, že Jacobiho metoda konverguje při řešení této soustavy. Ale Gauss-Seidlova metoda diverguje. Nechť A je symetrická a pozitivně definitní a Jacobiho metoda konverguje (když A je symetrická a pozitivně definitní, Jacobiho metoda konvergovat ještě nemusí, ale může) Gauss-Seidlova metoda konverguje dvakrát rychleji než Jacobiho metoda. [Ralston, A.: Základy numerické matematiky, 1978].

( Relaxační metoda )

Mějme Ax = b, det A 0. α-řešení b Aα = 0 Při řešení využijeme tzv. rezídua. Rezíduum vypočítáme pomocí následujícího vzorce: r = b Ax Složky vektoru rezíduí se snažíme zmenšovat. Jestliže rezíduum konverguje k 0 dostáváme iterační metodu: Např.: tzv. relaxační metodu. Příklad ( Relaxační metoda, zadání) Příklad. Relaxační metodou řešte soustavu rovnic. 10x 1 + x 2 + x 3 = 22 x 1 + 10x 2 + x 3 = 13 x 1 + x 2 + 10x 3 = 9

Příklad ( Relaxační metoda, řešení) Začneme počáteční aproximací x (0) = (0, 0, 0), vypočítáme počáteční aproximaci rezídua: r = (22 10x 1 x 2 x 3, 13 x 1 10x 2 x 3, 9 + x 1 x 2 10x 3 ) r (0) = (22; 13; 9) 22 > 13, 22 > 9 Jelikož první složka rezídua je dominantní (v absolutní hodnotě je největší ze všech složek nulté iterace rezídua), tak budeme upravovat první rovnici (zejména neznámou x 1 ) tak, aby tato první složka byla vynulována.

Příklad ( Relaxační metoda, pokr.) (1) + (0) 10x 1 x 2 + x 3 = 22 10x (1) 1 = 22 = 2,2, r (1) 1 = 0 x (1) 1 x (1) = (2,2; 0; 0) r (1) = (0; 10,8; 11,2) Nájdeme v absolutní hodnotě největší složku první iterace rezídua a příslušnou rovnici a neznámou upravíme tak, aby se tato složka vynulovala. Největší složka je 11, 2, (třetí složka) proto si budeme všímat třetí rovnici a zejména třetí neznámou x 3.

Příklad ( Relaxační metoda, pokr.) x (1) 1 + x (1) 2 + 10x (2) 3 = 9 2,2 + 0 + 10x (2) 3 = 9 x (2) 3 = 1,12 x (2) = (2,2; 0; 1,12) r (2) = ( 1,12; 9,68; 0) Největší složka ve druhé iteraci rezídua je 9, 68, proto si budeme všímat příslušnou rovnici a neznámou, teda druhou rovnici a x 2.

Příklad ( Relaxační metoda, pokr.) x (2) 1 + 10x (3) 2 + x (2) 3 = 13 2,2 + 10x (3) 2 + 1,12 = 13 x (3) 2 = 0,968 x (3) = (2,2; 0,968; 1,12) r (3) = ( 2,088; 0; 0,968). Po pěti dalších výpočetních krocích dostáváme x (8) = (1,9997; 1,00065; 1,99991) r (8) = (0,0241; 0,00608; 0)

(Podmíněnost matice)

Číslo podmíněnosti matice Cp(A) = A 1 A Matice s velkým číslem podm. můžou výrazně zesilnit chyby.

Příklad Zjistěte číslo podm. matice systému x 1 + 0, 99x 2 = 1, 99 1, 01x 1 + x 2 = 2, 01

Příklad A = [ 1 ] 0, 99 1, 01 1

Příklad A 1 = [ 10000 ] 9999 10100 10000

Příklad A = 2, 01 A 1 = 20100 CpA = 40401.

Příklad Jacobiho metodou zjistěte řešení systému x 1 + 0, 99x 2 = 1, 99 1, 01x 1 + x 2 = 2, 01