Numerické metody a programování

Podobné dokumenty
Numerické metody a programování. Lekce 4

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

Připomenutí co je to soustava lineárních rovnic

Co je obsahem numerických metod?

VĚTY Z LINEÁRNÍ ALGEBRY

Soustava m lineárních rovnic o n neznámých je systém

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

Soustavy linea rnı ch rovnic

Soustavy lineárních rovnic

VYBRANÉ PARTIE Z NUMERICKÉ MATEMATIKY

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

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

Numerické metody lineární algebry

0.1 Úvod do lineární algebry

Aplikovaná numerická matematika - ANM

Numerické metody lineární algebry

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

Matematika B101MA1, B101MA2

8 Matice a determinanty

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

0.1 Úvod do lineární algebry

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

DEFINICE Z LINEÁRNÍ ALGEBRY

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

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

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

DRN: Soustavy linárních rovnic numericky, norma

2.6. VLASTNÍ ČÍSLA A VEKTORY MATIC

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.

7. Lineární vektorové prostory

1/10. Kapitola 12: Soustavy lineárních algebraických rovnic

10. Soustavy lineárních rovnic, determinanty, Cramerovo pravidlo

Matematika 2 pro PEF PaE

Úlohy nejmenších čtverců

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

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

Lineární algebra. Soustavy lineárních rovnic

1 Determinanty a inverzní matice

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

4. Trojúhelníkový rozklad p. 1/20

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

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:

Numerické řešení soustav lineárních rovnic

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

Soustavy lineárních rovnic-numerické řešení. October 2, 2008

Soustavy lineárních rovnic

(Cramerovo pravidlo, determinanty, inverzní matice)

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

1 Řešení soustav lineárních rovnic

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

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

1 Vektorové prostory.

Soustavy lineárních rovnic-numerické řešení

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

ALG2: Lineární Algebra (Skripta Horák, jako doplněk i skripta Kovár v IS)

SOUSTAVY LINEÁRNÍCH ALGEBRAICKÝCH ROVNIC

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

stránkách přednášejícího.

Numerické řešení soustav lineárních rovnic

SVD rozklad a pseudoinverse

Singulární rozklad. Petr Tichý. 31. října 2013

Základy maticového počtu Matice, determinant, definitnost

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

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

Katedra aplikované matematiky FEI VŠB Technická univerzita Ostrava luk76/la1

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

Program SMP pro kombinované studium

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

ftp://math.feld.cvut.cz/pub/olsak/linal/

z textu Lineární algebra

[1] LU rozklad A = L U

maticeteorie 1. Matice A je typu 2 4, matice B je typu 4 3. Jakých rozměrů musí být matice X, aby se dala provést

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

Operace s maticemi

4. LU rozklad a jeho numerická analýza

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

Operace s maticemi. 19. února 2018

MOORE-PENROSEOVA INVERZE MATICE A JEJÍ APLIKACE. 1. Úvod

Podobnostní transformace

SOUSTAVY LINEÁRNÍCH ROVNIC

Vlastní čísla a vlastní vektory

Determinant. Definice determinantu. Permutace. Permutace, vlastnosti. Definice: Necht A = (a i,j ) R n,n je čtvercová matice.

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

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

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

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

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Podobnost matic. Definice 8.6. Dány matice A, B M n (C). Jestliže existuje regulární matice P M n (C) tak,

Základy matematiky pro FEK

Lineární algebra. Matice, operace s maticemi

11 Analýza hlavních komponet

Symetrické a kvadratické formy

MASARYKOVA UNIVERZITA. Rozklady matic

POŽADAVKY K SOUBORNÉ ZKOUŠCE Z MATEMATIKY

5. Maticová algebra, typy matic, inverzní matice, determinant.

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

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

5. Singulární rozklad

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

Soustavy lineárních algebraických rovnic SLAR

Transkript:

Projekt: Inovace výuky optiky se zaměřením na získání experimentálních dovedností Registrační číslo: CZ.1.7/2.2./28.157 Numerické metody a programování Lekce 4 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Linarní algebra soustava lineárních algebraických rovnic a 11 a 12 x 2 a 1 N = b 1 a 21 a 22 x 2 a 2 N = b 2 a M 1 a M 2 x 2 a M N = b M zkráceně A x = b b i = j a ij x j základní úlohy lineární algebry N =M řešení x inverzní matice A 1 determinant M N nebo degenerace SVD (singular value decomposition) M N přeurčený problém přibližné řešení Gaussova Jordanova eliminace řešení problému A [ x Y ] = [b 1] řeší zároveň soustavy A x = b a A Y = 1 nahrazení řádku lineární kombinací řádku a jiných řádků nemá vliv řešení problému přehození řádků nemá vliv na řešení Gaussova Jordanova eliminace využívá prvního pravidla k redukci matice A na jednotkovou matici. pro zlepšení stability se využívá druhého pravidla (pivotace) příklad: 2 1x 2 = 5 x 2 = 2

vytvořím [ 2 1 5 1 1] 1 1 2 vydělím první řádek diagonálním prvkem a 11 (pivot) a přičtu k ostatním tak aby a i 11 = [ 1 1/2 5/ 2 1/2 3/2 9/ 2 1/2 1] vydělím druhý řádek diagonálním prvkem a 22 (pivot) a přičtu k ostatním tak aby a i 22 = [ 1 1 1/3 1/3 1 3 1/3 2/3] toto se podle potřeby opakuje matice A je převedena na jednotkovou matici z jednotkové matice vznikne inverze A 1 z vektoru pravé strany b vzniklo řešení =1x 2 =3 stabilitu zvýší přehazování řádků/(řádků a sloupců tak aby nedocházelo k dělení malými čísly (částečná/úplná pivotace) LU dekompozice nevýhoda Gaussovy Jordanovy eliminace: všechny pravé strany musí být známy dopředu není optimální z hlediska počtu elementárních operací LU rozklad: rozklad matice A na součin dolní a horní trojúhelníkové matice L U = A pak platí A x = L U x = b takže L y = b a U x = y soustavy s trojúhelníkovými maticemi řešíme zpětnou(dopřednou) substitucí např. = y N u NN x i = 1 [ N u y i ii inverzi A 1 j =i 1 ] u ij x j i = N 1 N 2 vypočítáme řešením soustavy pro pravé strany

b 1 = 1 b 2 = 1... b N = 1 vlastní LU dekompozice matice A N 2 rovnic pro N 2 N neznámých i j : l i1 u 1j l i2 u 2j l ii u ij = a ij i j: l i1 u 1j l i2 u 2j l ij u jj = a ij 1 2 Croutův algoritmus: položíme l ii = 1 i = 1 N postupně pro j = 1 2 N provedeme nejprve pro i = 12 j vypočteme u ij z (1) pro i = j1 j2 N použijeme (2) k získání l ij pivotace je opět využita ke zlepšení stability Choleského rozklad L L T = A pro pozitivní matici A L je dolní trojúhelníková matice podobně jako LU rozklad řeší systém lineárních rovic asi 2x rychlejší než LU rozklad stabilní algoritmus (pivotace není nutná) Výpočet determinantu determinant čtvercové matice det A = A N sgn a ii i=1 kde jsou permutace množiny {12 N } determinant matice po LU dekompozici se získá triviálně det A = det L U = det LdetU = N u jj j=1

Cramérovo pravidlo řešení soustavy A x = b dostaneme pomocí determinantu takto: x i = det A i det A i = 12N kde A i vznikne z A nahrazením i tého sloupce pravou stranou b plyne z det A i = det[ a 1 b a N ] = j výpočetní čas je srovnatelný s LU rozkladem x j det[a 1 a i1 a j a i1 a N ] = x i det A iterativní vylepšení řešení lineárních rovnic v důsledku zaokrouhlovacích chyb je řešení nepřesné max. přesnost m obnovíme iterativním postupem řešme A x = b s nepřesným známým výsledkem x x : A (x + δ x) = b + δ b do A δ x = δ b dosadíme za δ b výsledná rovnice pro x : A x = A x x b SVD (Singular Value Decomposition) A = U S V T A : M N reálná (komplexní) U : M M ortogonální (unitární) M M T = 1 M M + = 1 S : M N diagonální matice S (singulární čísla s i ) V : N N ortogonální (unitární) čtvercová matice M = N regulární min s i : A 1 = V diag1 /s i U T singulární min s i = nulový prostor (jádro nullspace) x : A x = obor hodnot (range) b : A x = b pro nějaké x (obal sloupců a i hodnost) ortonormální báze (nullspace): sloupce v i odpovídající s i = ortonormální báze (range): sloupce u i odpovídající s i

řešení A x = b se singulární A homogenní b = : každý vektor nullspace nehomogenní b b v range: řešení s min. normou x = V diag1/ s i U T b kde 1/s i nahrazeno nulou pokud s i = (pseudoinverze); lze přičíst vektor z nullspace b mimo range: nemá řešení; přibližné řešení ve smyslu min A x b (metoda nejmenších čtverců) dostaneme opět jako pseudoinverzi méně rovnic než neznámých M N obvykle nekonečně mnoho řešení všechna řešení: partikulární řešení plus nullspace více rovnic než neznámých M N obvykle nemá řešení metoda nejmenších čtverců další aplikace SVD aproximace matice maticí s hodností K : s i = i K (podle velkosti] separabilní modely: A = s i u i v i i nejbližší ortogonální matice: U V T ortonormální báze prostoru N vektorů a i i = 1N dimenze M N M : sloupce matice U po SVD M N matice sloupců a i odpovídající s i Hilbert Schmidtova norma (Frobeniusova norma): A = Tr A T A 1/2 = i s i 2 1/2

Řídké (sparse) matice malé množství a ij speciální algoritmy využívají tuto vlastnost menší nároky na ukládání a výpočetní čas Vlastní čísla/vektory A x = x pouze čtvercová matice složitý problém doporučeno používat knihovny (např. LAPACK) diagonální prvky trojúhelníhové matice jsou vlastní čísla Gaussova Jordanova eliminace nezachovává vlastní čísla Souvislost SVD rozkladu s vlastními čísly/vektory A T A = V S 2 V T A A T = U S 2 U T t.j. sloupce V a U jsou vlastní vektory matic A T A resp. A A T Symetrické (Hermitovské) matice A T = A SVD: A 2 = A T A = V S 2 V T λ 2 2 i = s i tj. sloupce V a U jsou vlastní vektory A a singulární čísla jsou absolutní hodnoty vl. čísel