3. Iterační metody řešení soustav

Podobné dokumenty
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

Připomenutí co je to soustava lineárních rovnic

Soustavy lineárních rovnic-numerické řešení. October 2, 2008

Co je obsahem numerických metod?

Aplikovaná numerická matematika - ANM

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

Soustavy lineárních rovnic-numerické řešení

stránkách přednášejícího.

VYBRANÉ PARTIE Z NUMERICKÉ MATEMATIKY

DRN: Soustavy linárních rovnic numericky, norma

Kapitola 5. SLAR - gradientní metody

2. Matice, soustavy lineárních rovnic

SOUSTAVY LINEÁRNÍCH ALGEBRAICKÝCH ROVNIC

Budeme hledat řešení y(x) okrajové úlohy pro diferenciální rovnici druhého řádu v samoadjungovaném tvaru na intervalu a, b : 2 ) y i p i+ 1

Iterační metody řešení soustav lineárních rovnic. 27. prosince 2011

Princip řešení soustavy rovnic

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

Numerická matematika 1

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

Numerické řešení soustav lineárních rovnic

Numerické řešení soustav lineárních rovnic

Newtonova metoda. 23. října 2012

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

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

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

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

Hledání extrémů funkcí

Numerická matematika Banka řešených příkladů

Matematika I, část I Vzájemná poloha lineárních útvarů v E 3

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

0.1 Úvod do lineární algebry

Numerická matematika Písemky

Numerické metody a programování. Lekce 7

Numerické metody lineární algebry

0.1 Úvod do lineární algebry

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

SOUSTAVY LINEÁRNÍCH ALGEBRAICKÝCH ROVNIC

Numerické metody lineární algebry

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

Soustavy nelineárních rovnic pomocí systému Maple. Newtonova metoda.

4EK213 LINEÁRNÍ MODELY

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

Průvodce studiem. do bodu B se snažíme najít nejkratší cestu. Ve firmách je snaha minimalizovat

Numerické metody a programování. Lekce 4

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

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

Soustavy lineárních rovnic

1 Determinanty a inverzní matice

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

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

5. Lokální, vázané a globální extrémy

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

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

14. přednáška. Přímka

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

Numerické řešení nelineárních rovnic

Derivace funkcí více proměnných

Řešení nelineárních rovnic

2. Určete jádro KerL zobrazení L, tj. nalezněte alespoň jednu jeho bázi a určete jeho dimenzi.

Cvičné texty ke státní maturitě z matematiky

ANALYTICKÁ GEOMETRIE LINEÁRNÍCH ÚTVARŮ V ROVINĚ

Příklady pro cvičení 22. dubna 2015

MASARYKOVA UNIVERZITA RELAXAČNÍ METODA

MATLAB a numerické metody

Globální matice konstrukce

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

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

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

Numerická matematika (v anglické terminologii numerical/computational mathematics )

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

9 Kolmost vektorových podprostorů

příkladů do cvičení. V textu se objeví i pár detailů, které jsem nestihl (na které jsem zapomněl) a(b u) = (ab) u, u + ( u) = 0 = ( u) + u.

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

AVDAT Nelineární regresní model

a počtem sloupců druhé matice. Spočítejme součin A.B. Označme matici A.B = M, pro její prvky platí:

1 Vektorové prostory.

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


A 9. Počítejte v radiánech, ne ve stupních!

III. MKP vlastní kmitání

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

Soustavy lineárních diferenciálních rovnic I. řádu s konstantními koeficienty

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

verze 1.4 Ekvivalentní podmínkou pro stacionární bod je, že totální diferenciál je nulový

Soustava m lineárních rovnic o n neznámých je systém

Moderní numerické metody

1/10. Kapitola 12: Soustavy lineárních algebraických rovnic

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

Rovnice přímky vypsané příklady. Parametrické vyjádření přímky

Numerické řešení nelineárních rovnic

EUKLIDOVSKÉ PROSTORY

Numerické metody a programování

α = 210 A x =... kn A y =... kn A M =... knm

Numerické metody řešení nelineárních 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

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:

1 Řešení soustav lineárních rovnic

Parametrická rovnice přímky v rovině

metoda Regula Falsi 23. října 2012

Transkript:

3 Iterační metody řešení soustav Tento učební text byl podpořen z Operačního programu Praha- Adaptabilita Irena Sýkorová

Soustavy lineárních rovnic Uvažujeme soustavu lineárních rovnic A x= b, ( kdematicesoustavy A=(a ij jereálnáregulárnímaticeřádu n, b=(b,b,,b n jesloupcový vektorpravýchstran,hledanéřešeníoznačíme x ( =(x (,x(,,x( n Soustavu( vyjádříme ve tvaru x=m x+ v, ( kde Mjevhodnámatice, vjesloupcovývektoriteračnímetodaspočívávtom,žezvolímenějaké počátečnípřiblížení x (0 apodlevzorce x (k+ = M x (k + v, k=0,, (3 počítámeposloupnostvektorů x (k,kterákonvergujekřešenípůvodnísoustavy x ( Výpočet ukončíme, až x (k+ x (k < ε nebo po daném počtu iterací Podmínky konvergence: a nutná a postačující Metoda(3konvergujeprokaždépočátečnípřiblížení x (0,právěkdyžspektrálnípoloměr iteračnímatice ρ(m < b postačující Jestližepronějakounormumatice Mplatí M <,pakmetoda(3konvergujeprokaždé počátečnípřiblížení x (0 Je-li splněná postačující podmínka, můžeme odhadnout velikost chyby v k-tém kroku: x x (k M M x(k x (k nebo x x (k M k M x( x (0 Popíšeme dvě základní iterační metody K tomu bude potřeba vyjádřit si matici soustavy A ve tvaru A=D+ L+U, (4 kde Djediagonálnímatice, Ljeostře(snulaminadiagonáledolnítrojúhelníkováaUjeostřehorní trojúhelníková matice, tj a a a a a n a n a n a n a nn = a 0 0 0 0 0 0 a a n 0 a = 0 + a 0 0 + 0 0 a n, 0 0 a nn a n a n 0 0 0 0

Jacobiova metoda Matici soutavy A vyjádříme ve tvaru Pak soustavu( můžeme upravit A x= b (D+ L+U x= b D x= (L+U x+ b x= D (L+U x+d b, tedy ve vzorci( volíme M J = D (L+U, v J = D b Zvolímetedy x (0 apočítámepro k=0,,, x (k+ = D (L+U x (k + D b (J a rozepsáním po souřadnicích dostáváme předpis vhodný pro počítání x (k+ i = a ii Podmínky konvergence: n j=, j i a ij x (k j + b i a ii, i=,,n, k=0,, (4 a ρ(m J < Jacobiovametodakonverguje Vlastníčíslamatice M J lzezískatřešenímrovnicedet(l+λd+ U=0 b Existujenorma,prokterou M J < Jacobiovametodakonverguje c A je ostře diagonálně dominantní Jacobiova metoda konverguje Příklad : Je dána soustava lineárních rovnic 4x + x x 3 =4 x +5x +x 3 =5 (5 x + x 5x 3 =4 Dokážeme,žeJacobiovametodabudekonvergovat,zvolímepočátečnípřiblížení x (0 =(0,0,0 a vypočítáme první dvě iterace Řešení: Matice soustavy A= 4 5 5 je ostře diagonálně dominantní, např pro řádky platí 4 > + 5 > + 5 > + Je tedy splněná postačující podmínka konvergence c, Jacobiova metoda konverguje 3

Soustavu(5upravímetak,žezprvnírovnicevyjádříme x,zedruhé x azetřetí x 3 x = 4 ( x x 3 4 x = 5 (x +x 3 5 x 3 = 5 ( x + x 4 Vezmemevektor x (0 apodlevzorce(4počítámejednotlivésouřadnicevektoru x ( : x ( = 4 (x(0 x (0 3 4= 4 (0 0 4= x ( = 5 (x(0 +x (0 3 5= 5 (0+0 5= x ( 3 = 5 ( x(0 + x (0 4= 5 (0+0 4= 4 5 Prvníiteracejetedy x ( =(,, 4 5 iteraci: =(;; 0,8 Pomocítohotovektorupočítámedruhou x ( = 4 (x( x ( 3 4= (+ 4 4 5 4= 7 0 x ( = 5 (x( +x ( 3 5= 3 5 ( 4 5 5= 5 x ( 3 = 5 ( x( + x ( 4= 5 (+ 4= 5 Druháiteraceje x ( =( 7 0,3 5, 5 =(0,35;0,9; 0,4 Proporovnáníuvedemepřesnéřešenísoustavy x =(,, =(0,5;; 0,5 aprovedeme odhadchyby,napřpronormu x x ( M J M J x (k x (k = 0,8 0,8 0,65=,6 Odhadjevtomtopřípaděvelmihrubý,protože x x ( =0,5 MATLAB Jacobiova metoda A maticesoustavy, b vektorpravýchstran, x (0 počátečnípřiblížení výpočetmatice M J >> U=triu(A, >> L=tril(A,- >> D=A-U-L >> MJ=(-*inv(D*(U+L výpočetvektoru v J >> vj=inv(d*b výpočetjednotlivýchiterací x (, x (,atd >> x=mj*x0+vj >> x=mj*x+vj atd 4

Gaussova Seidelova metoda Jestližepřivýpočtu i-tésložkyvektoru(k+-níaproximace,tjčísla x k+ i, využijeme už vypočítanésložky x k+,,x k+ i,dostanemetzvgaussovu-seidelovumetodutudostanemezevzorce ( volbou M G = (D+ L U, v G =(D+ L b a můžeme ji vyjádřit v maticovém tvaru Rozepsáním po souřadnicích dostáváme x (k+ i = i n a ij x (k+ j + a ii j= x (k+ = (D+ L U x (k +(D+ L b j=i+ a ij x (k j + b i, i=,,n, k=0,, (6 a ii Podmínky konvergence: a ρ(m G < G-Smetodakonverguje Vlastníčíslamatice M G lzezískatřešenímrovnicedet(λl+λd+ U=0 b Existujenorma,prokterou M G < G-Smetodakonverguje c A je ostře diagonálně dominantní G-S metoda konverguje d A je symetrická a pozitivně definitní G-S metoda konverguje Příklad : Pro soustavu(5 z předchozího příkladu vypočítáme dvě iterace G-S metodou Řešení: Protože matice soustavy A je ostře diagonálně dominantní, je splněná postačující podmínka konvergence c a G-S metoda konverguje Soustavu upravíme stejně jako u Jacobiovy metody x = 4 ( x x 3 4 x = 5 (x +x 3 5 x 3 = 5 ( x + x alepřivýpočtuužijemevzorec(6,tjpřivýpočtudruhéatřetísložkyvektoru x ( užvyužijeme složky vypočítané v předchozích rovnicích 4, x ( = 4 (x(0 x (0 3 4= 4 (0 0 4= x ( x ( x ( +x (0 = 5 (x( 3 5= 5 (+0 5= 3 5 3 = 5 ( x( x ( + x ( 4= 5 (+3 5 4= Prvníiteracejetedy x ( =(, 3 5, 5 =(;0,6; 0,48 Stejnýmzpůsobempočítámedruhou iteraci: x ( = 4 (x( x ( 3 4= 4 (3+ 6 5 5 4= 00 x ( = 5 (x( x ( x ( +x ( x ( 3 = 5 ( x( x ( + x ( 3 5= 5 x ( 4= 5 (6 00 +474 5 6 ( 474 00 5 5= 500 500 4= Druháiteraceje x ( =( 6 00,474 500, 500 =(0,6;0,948; 0,4884 Chybu budeme odhadovat podobně jako u Jacobiovy metody x x ( Skutečnáchybajemenší,protože x x ( =0, 500 M G M G x (k x (k = 0,75 0,75 0,39=,7 Pokud konvergují obě metody Jacobiova i Gaussova Seidelova, Gaussova Seidelova metoda konverguje rychleji 5

MATLAB Gaussova Seidelova metoda A maticesoustavy, b vektorpravýchstran, x (0 počátečnípřiblížení výpočetmatice M G >> U=triu(A, >> L=tril(A,- >> D=A-U-L >> MG=(-*inv(D+L*U výpočetvektoru v G >> vg=inv(d+l*b výpočetjednotlivýchiterací x (, x (,atd >> x=mg*x0+vg >> x=mg*x+vg atd Soustavy nelineárních rovnic Newtonova metoda Uvažujeme soustavu nelineárních rovnic neboli F( x=ō, (7 f (x,,x n =0 f (x,,x n =0 f n (x,,x n =0 apředpokládáme,žefunkce f,,f n majíspojitédruhéparciálníderivace Metodu odvodíme pro dvě rovnice o dvou neznámých f (x,x =0 f (x,x =0 Vokolí c=(c,c nahradímefunkce f, f Taylorovýmpolynomemprvníhostupně f (x,x f (c,c + f (c,c (x c + f x (c,c (x c =0 f (x,x f (c,c + f (c,c (x c + f x (c,c (x c =0 Tuto soustavu zapíšeme v maticovém tvaru f (c,c f (c,c f (c,c ( ( x x c f (c,c f = x (c,c c f (c,c x (8 6

Označíme-li F tzvjacobiovumatici F = f f x f f x a d= x c, soustava(8 pak je F ( c d= F( c a x= c+ d Chceme-li vyřešit soustavu nelineárních rovnic Newtonovou metodou, postupujeme tak, že zvolíme nějakýpočátečnívektor x (0 apro k=0,,, počítámevedvoukrocích: i nejprveurčímevektor d (k jakořešenísoustavy F ( x (k d (k = F( x (k, (9 ii položíme x (k+ = x (k + d (k Prokaždývektor x (k musíbýtmatice F ( x (k regulární,abysoustava(9mělaprávějedno řešenípokudtatopodmínkavněkteréiteracinenísplněná,jepotřebazvolitjinývektor x (0 a počítat znova Newtonovametodakonvergujerychle,alejenkdyž x (0 jedostatečněblízkopřesnéhořešení Příklad 3: Pro soustavu nelineárních rovnic x + x =4 x = x 3 + vypočítámedvěiteracenewtonovoumetodouspočátečnímvektorem x (0 =(, Řešení: Soustavu vyjádříme ve vektorovém tvaru F ( x= ( ( f (x,x x = + x 4 f (x,x x 3 = + x ( 0 = ō, kde x= 0 ( x x a určíme Jacobiovu matici F ( x= f f x f f x = ( x x 3x Přivýpočtuprvníiterace x ( =(x (,x( : i nejprveurčímevektor d (0 =(d (0,d(0 tak,ževyřešímesoustavu F ( x (0 d (0 = F( x (0, podosazení x (0 =(, ( 3 ( (0 d d (0 = ( + 4 3 + ( 4 3 ( (0 d d (0 = ( 0 7

aodtuddostaneme d (0 =(, 3 ii ve druhém kroku první iterace vypočítáme tedy ( x ( = + x ( = x (0 + d (0, ( 3 = ( 3 5 ( 0,986, 7857 Stejnýmzpůsobempostupujemeipřivýpočtudruhéiterace x ( =(x (,x( : i nejprveurčímevektor d ( =(d (,d( tak,ževyřešímesoustavu podosazení x ( =( 3,5 ( 3 5 3 ( 3 ( 3 7 F ( x ( d ( = F( x (, ( d ( d ( 5 7 507 96 = ( d ( aodtuddostaneme d ( =( 05 6, 7 ii ve druhém kroku druhé iterace vypočítáme tedy x ( = ( 3 5 MATLAB Newtonova metoda + ( ( 3 +( 5 d ( x ( = x ( + d (, ( 05 6 7 = 4 ( 3 3 + 5 ( 5 98 = ( 39 35 4876 745 F danéfunkce(sloupcovývektor, x (0 počátečnípřiblížení označení symbolických proměnných >> syms x,y; zadánípočátečníhovektoru x (0 afunkce F >> x0=[; ] >> F=[x +y -4; y-x 3-] výpočet jacobiovy matice >> J=jacobian(F,[x,y] dosazení x=x (0, y= x(0 dojacobiovymaticeavektoru F >> J0=subs(J,[x,y],x0 >> F0=subs(F,[x,y],x0 výpočetprvníaproximace x ( (d (0 = inv(j0 F0 >> x=x0-inv(j0*f0 výpočetdruhéaproximace x ( (d ( = inv(j F >> J=subs(J,[x,y],x >> F=subs(F,[x,y],x >> x=x-inv(j*f atd 4 744 ( 0,99, 7763 8