Κεφ. 2: Επίλυση συστημάτων αλγεβρικών εξισώσεων. 2.1 Επίλυση απλών εξισώσεων

Σχετικά έγγραφα
Κεφ. 2: Επίλυση συστημάτων εξισώσεων. 2.1 Επίλυση εξισώσεων

Κεφ. 2: Επίλυση συστημάτων αλγεβρικών εξισώσεων. 2.1 Επίλυση απλών εξισώσεων

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ, , 5 Ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΔΙΔΑΣΚΩΝ: Δ. Βαλουγεώργης Απαντήσεις: ΠΡΟΟΔΟΣ 1, Επιμέλεια λύσεων: Γιώργος Τάτσιος

A Τελική Εξέταση του μαθήματος «Αριθμητική Ανάλυση» Σχολή Θετικών Επιστημών, Τμήμα Μαθηματικών, Πανεπιστήμιο Αιγαίου

Συνήθεις διαφορικές εξισώσεις προβλήματα οριακών τιμών

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ, 5 Ο ΕΞΑΜΗΝΟ, ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΑΡΑΔΟΣΕΩΝ. Κεφ. 1: Εισαγωγή (διάρκεια: 0.5 εβδομάδες)

Παράδειγμα #2 ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΚΙΝΗΤΗΣ ΥΠΟΔΙΑΣΤΟΛΗΣ ΚΑΙ ΡΙΖΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΩΝ. ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Σ. Βαρούτης

Αριθμητική Ανάλυση και Εφαρμογές

Κεφ. 7: Συνήθεις διαφορικές εξισώσεις (ΣΔΕ) - προβλήματα αρχικών τιμών

Κεφ. 3: Παρεμβολή. 3.1 Εισαγωγή. 3.2 Πολυωνυμική παρεμβολή Παρεμβολή Lagrange Παρεμβολή Newton. 3.3 Παρεμβολή με κυβικές splines

Κεφ. 6Α: Συνήθεις διαφορικές εξισώσεις - προβλήματα δύο οριακών τιμών

2.1 Αριθμητική επίλυση εξισώσεων

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΕΠΙΛΥΣΗ ΓΡΑΜΜΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ. nn n n

Κεφάλαιο 2. Μέθοδος πεπερασµένων διαφορών προβλήµατα οριακών τιµών µε Σ Ε

Κεφ. 6Β: Συνήθεις διαφορικές εξισώσεις (ΣΔΕ) - προβλήματα αρχικών τιμών

5269: Υπολογιστικές Μέθοδοι για Μηχανικούς Συστήματα Γραμμικών Αλγεβρικών Εξισώσεων

5269: Υπολογιστικές Μέθοδοι για Μηχανικούς Συστήματα Γραμμικών Αλγεβρικών Εξισώσεων

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ, , 3 ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ #1: ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΚΙΝΗΤΗΣ ΥΠΟ ΙΑΣΤΟΛΗΣ ΚΑΙ ΡΙΖΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΩΝ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Σ.

Matrix Algorithms. Παρουσίαση στα πλαίσια του μαθήματος «Παράλληλοι. Αλγόριθμοι» Γ. Καούρη Β. Μήτσου

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ (ΗΥ-119)

Επίλυση Γραµµικών Συστηµάτων

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ

Κεφ. 3: Παρεμβολή. 3.1 Εισαγωγή. 3.2 Πολυωνυμική παρεμβολή Παρεμβολή Lagrange Παρεμβολή Newton. 3.3 Παρεμβολή με κυβικές splines

Matrix Algorithms. Παρουσίαση στα πλαίσια του μαθήματος «Παράλληλοι Αλγόριθμοι» Γ. Καούρη Β. Μήτσου

Αριθμητική εύρεση ριζών μη γραμμικών εξισώσεων

I. ΜΙΓΑΔΙΚΟΙ ΑΡΙΘΜΟΙ. math-gr

Μέθοδοι πολυδιάστατης ελαχιστοποίησης

ΜΑΣ 371: Αριθμητική Ανάλυση ΙI ΑΣΚΗΣΕΙΣ. 1. Να βρεθεί το πολυώνυμο Lagrange για τα σημεία (0, 1), (1, 2) και (4, 2).

ΜΕΜ251 Αριθμητική Ανάλυση

ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΣΤΗΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ Ι (ΘΕ ΠΛΗ 12) ΕΡΓΑΣΙΑ 3 η Ημερομηνία Αποστολής στον Φοιτητή: 7 Ιανουαρίου 2008

ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΣΤΗΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ Ι (ΘΕ ΠΛΗ 12) ΕΡΓΑΣΙΑ 2 η Ημερομηνία Αποστολής στον Φοιτητή: 28 Νοεμβρίου 2011

Αριθμητική Ανάλυση και Εφαρμογές

3. Γραμμικά Συστήματα

ΜΕΜ251 Αριθμητική Ανάλυση

Στοχαστικά Σήµατα και Εφαρµογές

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ

Αριθμητική Ανάλυση και Εφαρμογές

1 Επανάληψη εννοιών από τον Απειροστικό Λογισμό

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ

Κεφ. 4: Ολοκλήρωση. 4.1 Εισαγωγή

Παναγιώτης Ψαρράκος Αν. Καθηγητής

Τετραγωνικά μοντέλα. Τετραγωνικό μοντέλο συνάρτησης. Παράδειγμα τετραγωνικού μοντέλου #1. Παράδειγμα τετραγωνικού μοντέλου #1

Κεφάλαιο 1: Προβλήµατα τύπου Sturm-Liouville

Αριθµητική Ανάλυση. 27 Οκτωβρίου Αριθµητική Ανάλυση 27 Οκτωβρίου / 72

Πιο συγκεκριμένα, η χρήση του MATLAB προσφέρει τα ακόλουθα πλεονεκτήματα.

D = / Επιλέξτε, π.χ, το ακόλουθο απλό παράδειγμα: =[IA 1 ].

Τα περισσότερα προβλήματα βελτιστοποίησης είναι με περιορισμούς, αλλά οι μέθοδοι επίλυσης χωρίς περιορισμούς έχουν γενικό ενδιαφέρον.

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ (Εξ. Ιουνίου - 02/07/08) ΕΠΙΛΕΓΜΕΝΕΣ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΓΙΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ MATLAB ΔΕΥΤΕΡΗ ΕΚΔΟΣΗ [ΒΕΛΤΙΩΜΕΝΗ ΚΑΙ ΕΠΑΥΞΗΜΕΝΗ]

Τετραγωνικά μοντέλα. Τετραγωνικό μοντέλο συνάρτησης. Παράδειγμα τετραγωνικού μοντέλου #1. Παράδειγμα τετραγωνικού μοντέλου #1

ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΗ ΤΕΛΙΚΗ ΕΞΕΤΑΣΗ 3 Ιουλίου 2010

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ

Παραδείγματα Ιδιοτιμές Ιδιοδιανύσματα

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ. ΕΝΟΤΗΤΑ: Αριθμητική Γραμμική Άλγεβρα (1) ΔΙΔΑΣΚΩΝ: Βλάμος Παναγιώτης ΙΟΝΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ

QR είναι ˆx τότε x ˆx. 10 ρ. Ποιά είναι η τιµή του ρ και γιατί (σύντοµη εξήγηση). P = [X. 0, X,..., X. (n 1), X. n] a(n + 1 : 1 : 1)

Ασκήσεις3 Διαγωνισιμότητα Βασικά σημεία Διαγωνίσιμοι πίνακες: o Ορισμός και παραδείγματα.

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΥΔΡΑΥΛΙΚΗΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΤΕΧΝΙΚΗΣ. Διάλεξη 3: Περιγραφή αριθμητικών μεθόδων (συνέχεια)

Επίλυση ενός τριδιαγώνιου γραµµικού συστήµατος Ax = d µε τη µέθοδο απαλοιφής του Gauss (µέθοδος του Thomas)

Πεπερασμένες Διαφορές.

ΒΑΣΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΘΕΩΡΙΑΣ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ SIMPLEX

Αριθμητική Ανάλυση και Εφαρμογές

Κεφ. 5: Ολοκλήρωση. 5.1 Εισαγωγή

Επαναληπτικές μέθοδοι

( 1)( 3) ( ) det( ) (1 )( 1 ) ( 2)( 2) pl( ) det( L ) (5 )( 7 ) ( 1) ( ) det( M ) (1 )(1 )

Non Linear Equations (2)

Επαναληπτικές μέθοδοι για την επίλυση γραμμικών συστημάτων. Μιχάλης Δρακόπουλος

Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών ΕΜΠ 4 ο Εξάμηνο ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ. Πρώτη Ενότητα Αριθμητική Επίλυση Μη-Γραμμικών Εξισώσεων

ΓΡΑΜΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΞΙΣΩΣΕΩΝ

Ασκήσεις3 Διαγωνίσιμες Γραμμικές Απεικονίσεις

= 7. Στο σημείο αυτό θα υπενθυμίσουμε κάποιες βασικές ιδιότητες του μετασχηματισμού Laplace, δηλαδή τις

Θερμοδυναμική - Εργαστήριο

Kεφάλαιο 4. Συστήματα διαφορικών εξισώσεων. F : : F = F r, όπου r xy

Κεφάλαιο 6 Ιδιοτιμές και Ιδιοδιανύσματα

1 Αριθµητική Γραµµική Άλγεβρα: Ασκήσεις

Δυναμική Μηχανών I. Επανάληψη: Μαθηματικά

Κεφ. 5: Ολοκλήρωση. 5.1 Εισαγωγή

HY213. ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ

ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΘΕΤΙΚΗΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΜΙΓΑΔΙΚΟΙ ΑΡΙΘΜΟΙ ΛΥΜΕΝΕΣ & ΑΛΥΤΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ. Επιμέλεια: Γ. Π. Βαξεβάνης (Γ. Π. Β.

Ορίζουμε την τυπική πολυδιάστατη κανονική, σαν την κατανομή του τυχαίου (,, T ( ) μεταξύ τους ανεξάρτητα. Τότε

Αριθμητική Ανάλυση 4.5 Ιδιοτιμές και ιδιοδιανύσματα πινάκων. Γ. Παπαευαγγέλου, ΕΔΙΠ, ΤΑΤΜ/ΑΠΘ

HY213. ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΤΕΤΡΑΓΩΝΑ AΝΑΛΥΣΗ ΙΔΙΑΖΟΥΣΩΝ ΤΙΜΩΝ

ΤΕΤΥ Εφαρμοσμένα Μαθηματικά 1. Τελεστές και πίνακες. 1. Τελεστές και πίνακες Γενικά. Τι είναι συνάρτηση? Απεικόνιση ενός αριθμού σε έναν άλλο.

ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΣΤΗΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ Ι (ΘΕ ΠΛΗ 12) ΕΡΓΑΣΙΑ 1 η Ημερομηνία Αποστολής στον Φοιτητή: 20 Οκτωβρίου 2008

Απαντήσεις στα Θέµατα Ιουνίου 2012 (3 και 4)

Ιδιάζουσες τιμές πίνακα. y έχουμε αντίστοιχα τις σχέσεις : Αυτές οι παρατηρήσεις συμβάλλουν στην παραγοντοποίηση ενός πίνακα

ΛΥΣΕΙΣ 6 ης ΕΡΓΑΣΙΑΣ - ΠΛΗ 12,

ΜΕΜ251 Αριθμητική Ανάλυση

2 3x 5x x

ΜΑΣ 371: Αριθμητική Ανάλυση ΙI ΛΥΣΕΙΣ ΑΣΚΗΣΕΩΝ. 1. Να βρεθεί το πολυώνυμο παρεμβολής Lagrange για τα σημεία (0, 1), (1, 2) και (4, 2).

Εισαγωγή στον Προγραµµατισµό. Ανάλυση (ή Επιστηµονικοί8 Υπολογισµοί)

ΠΛΗ 12- Σχέση ισοδυναμίας, γραμμικά συστήματα και απαλοιφή Gauss

Παράδειγμα #5 ΕΠΙΛΥΣΗ ΓΡΑΜΜΙΚΩΝ & ΜΗ ΓΡΑΜΜΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Σ. Βαρούτης

1 Αριθμητική κινητής υποδιαστολής και σφάλματα στρογγύλευσης

Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΣΕ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΤΙΚΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ

Περιεχόμενα. Πρόλογος 3

Δίνεται το σύστημα μιας εισόδου και μιας εξόδου, το οποίο περιγράφεται από τις κάτωθι εξισώσεις:,, πίνακας,

Αριθµητική Γραµµική ΑλγεβραΚεφάλαιο 4. Αριθµητικός Υπολογισµός Ιδιοτιµών 2 Απριλίου και2015 Ιδιοδιανυσµάτων 1 / 50

Μέθοδος Ελαχίστων Τετραγώνων (για την προσαρμογή (ή λείανση) δεδομένων/μετρήσεων)

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΡΗΤΗΣ -ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ. Λύσεις των Θεμάτων εξέτασης προόδου στο μάθημα «Γραμμική Άλγεβρα» (ΗΥ119)

Transcript:

Κεφ. : Επίλυση συστημάτων αλγεβρικών εξισώσεων. Επίλυση απλών εξισώσεων. Επίλυση συστημάτων με απευθείας μεθόδους.. Μέθοδοι Gauss, Gauss-Jorda.. Παραγοντοποίηση LU ειδικές περιπτώσεις: Cholesky, Thomas.. Νόρμες πινάκων, δείκτης κατάστασης πίνακα, ασταθή συστήματα,. Επίλυση συστημάτων με επαναληπτικές μεθόδους.. Μέθοδος Jacob.. Μέθοδος Gauss-Sedel.. Σύγκριση επαναληπτικών μεθόδων και ορισμός φασματικής ακτίνας.4 Μέθοδος Newto-Raphso

. Επίλυση εξισώσεων Παραδείγματα προβλημάτων θερμοδυναμικής, στατικής, μηχανικής, ρευστών, κτλ., που απαιτείται ο υπολογισμός των ριζών αλγεβρικών εξισώσεων: Η καταστατική εξίσωση των Beatte και Brdgma δίδεται από την σχέση RT β γ δ P = + + + 4 V V V V όπου τα β, γ, δ είναι γνωστές συναρτήσεις της θερμοκρασίας. Να βρεθεί ο όγκος του αερίου σε γνωστές τιμές της πίεση και θερμοκρασίας ή η θερμοκρασία του αερίου σε γνωστές τιμές της πίεσης και του όγκου. Η εξίσωση που περιγράφει την παραμόρφωση μιας ελαστικής δοκού που παραλαμβάνει ένα γραμμικά μεταβαλλόμενο φορτίο είναι w0 5 4 y = + L L 0EIL Να βρεθεί το σημείο της μέγιστης παραμόρφωσης και στη συνέχεια η τιμή της Ε=50.000kN/cm, I=0.000cm 4, L=450cm, w 0 =,75kN/cm.

Η συγκέντρωση του οξυγόνου σε ένα ποτάμι κατάντη του σημείου εξόδου αστικών λυμάτων δίδεται από την σχέση 0. 075. c 0 0e = e όπου η απόσταση από το σημείο εξόδου. Να προσδιοριστεί σε ποια απόσταση η συγκέντρωση του οξυγόνου είναι c=5. Στη μηχανική ρευστών ο συντελεστής τριβής δίδεται από τη εξίσωση = 087. l Re 08. Υπολογίστε τον συντελεστή τριβής για Re=00.000. Η παρακάτω εξίσωση εφαρμόζεται στον υπολογισμό της ειδικής θερμότητας του αέρα. Να βρεθεί η θερμοκρασία που αντιστοιχεί σε c p =.kj/kgk. 4 8 4 4 c = 0. 9940 +. 67* 0 *T + 9. 75* 0 *T 9. 588* 0 *T +. 950* 0 *T p

.. Μέθοδος διχοτόμησης και γραμμικής παρεμβολής Ζητείται η ρίζα της εξίσωσης 0 Αλγόριθμος: Ορίζεται σημείο = + Εάν Εάν = + = στο διάστημα =. / < 0 τότε αντικαθίσταται το > 0 τότε αντικαθίσταται το 4 / με = + 4 / με και το παλιό με Με τον τρόπο αυτό το διάστημα που βρίσκεται η ρίζα διχοτομείται συνεχώς., το μέγιστο αρχικό λάθος είναι /και μετά Αφού η ρίζα είναι στο διάστημα [ ] από διχοτομήσεις θα είναι / +. Αντίστοιχη είναι και η μέθοδος της γραμμικής παρεμβολής με μόνη διαφορά ότι η νέα τιμή προκύπτει από τη σχέση: = 4

Παράδειγμα: Να βρεθεί η ρίζα της εξίσωσης = cos cosh + = 0 στο διάστημα [.6, ] L R M L.6.0.8 0.947-0.5656 0.940.8.0.9 0.940-0.5656-0.049.8.9.85 0.940-0.049 0.00.85.9.875 0.00-0.049 0.0004.875.9.8875 0.0004-0.049-0.058.875.8875.88 0.0004-0.058-0.055.875.8754.875 0.0004-0.00-0.0004 R M 5

.. Μέθοδος απλών αντικαταστάσεων Η αρχική εξίσωση = 0 γράφεται στη μορφή F Στη συνέχεια εφαρμόζεται η επαναληπτική διαδικασία Η επαναληπτική διαδικασία τερματίζεται όταν Σύγκλιση: Έστω η αναλυτική λύση και Επιλύουμε ως προς =. + + + = F < ε ή + < ε η αριθμητική λύση και σ = το σφάλμα. και αντικαθιστούμε στον επαναληπτικό αλγόριθμο: df + σ = F + σ = F + σ σ = σ d df Η μέθοδος συγκλίνει εάν < d = + + df d 6

Παραδείγματα: =.88+.9 = 0 +.9.88 = = F, F =.88 6 Αριθμός επανάληψης F F 0.500 0.66-0.600 0.66 0.559-0.685 0.559 0.66-0.6 4 0.66 0.58-0.665 5 0.58 0.6-0.69 6 0.6 0.59 7 0.59 0.60 7

=.88+.84 = 0, Αναλυτική λύση: =.497 F +.84.88 = =, F 6.88 Αριθμός επανάληψης F F.500.4997 0.9659.4997.4995 0.965.4995.499......495.495 0.9555.495.495 0.955.495.4950 0.955 8

.. Μέθοδος Newto Έστω η αναλυτική λύση και η αριθμητική λύση και σ = το σφάλμα. d = 0 = 0 = 0 = = σ σ σ d = = = + Γεωμετρική ερμηνεία: 9

Σύγκλιση: Έστω η αναλυτική λύση και Αλγόριθμος: Ανάπτυγμα Taylor: η αριθμητική λύση και σ = το σφάλμα. + + σ = + σ σ σ + = d d = 0 σ = σ + σ = 0 d d = = d σ d = σ = Αντικαθιστούμε την τελευταία σχέση στον αριθμητή της προηγούμενης: 0

σ = σ + Η μέθοδος συγκλίνει εάν < Απλοποιημένη Newto: + =, + σ σ σ Αλγόριθμος ης τάξης: + =, σ + σ

Παράδειγμα: =, = + = 0, Αναλυτική λύση: = = = σ + = σ Μέθοδος Newto Μέθοδος απλών επαναλήψεων σ σ σ 0.75σ. 0.. 0..008 0.008 0.0.076 0.076 0.075.000068 0.000068 0.000069.0545 0.0545 0.055 4.000000.0405 0.0405 0.0409.. 9.0070 0.0070 0.005 0.005 0.005 Απλές επαναλήψεις: = =, F / F = F = 0.75

Μέθοδος Newto για πολλαπλές ρίζες: Είναι προφανές ότι στη περίπτωση πολλαπλών ριζών η μέθοδος Newto αστοχεί ή στη καλύτερη περίπτωση η σύγκλιση είναι αντίστοιχη με αυτή των γραμμικών μεθόδων καθώς πλησιάζουμε τη ρίζα όχι μόνο το αλλά και το τείνουν στο μηδέν. Απόδειξη: Έχει αποδειχθεί ότι η εξέλιξη του σφάλματος στη μέθοδο Newto δίδεται από την σχέση: + σ = σ Αν η ρίζα είναι πολλαπλότητας τότε = 0 σ = 0 = σ Η τελευταία σχέση αντικαθίσταται στη γενική έκφραση και προκύπτει ότι: + σ = σ = σ σ

Επομένως εφαρμόζονται οι παρακάτω δύο εναλλακτικοί αλγόριθμοι ώστε η σύγκλιση να παραμείνει τετραγωνική. Α Έστω u = και u = Σημειώνεται ότι οι ρίζες της u είναι οι ίδιες με αυτές της αρχικής συνάρτησης. + u = u + = 4

Παράδειγμα Chapra & Caale, σελ. 65: = 5 + 7 = = 0 Μέθοδος Newto Μέθοδος Newto για πολλαπλές ρίζες σ % σ % 0 0 00 0 00 0.486 57.056 0.6857.0008 0. 0.89 7.00000 0.0004 4 0.9 8.7 5 0.9558 4.4 6 0.9777. 5

Β Έστω ότι αναζητείται ρίζα πολλαπλότητας : = 0 σ = 0 σ + σ = 0 σ σ = 0 = 0 = 0 σ σ = σ = 0 σ = Γενική περίπτωση ρίζας πολλαπλότητας m: + = + = m 0 6

. Επίλυση συστημάτων με απευθείας μεθόδους Εξετάζονται συστήματα όπου ο αριθμός των εξισώσεων ισούται με τον αριθμό των αγνώστων. Οι απευθείας μέθοδοι εφαρμόζονται μόνο σε γραμμικά συστήματα της μορφής A = b ή a + a +... + a = b a + a +... + a = b... a + a +... + a = b... a + a +... + a = b ή a j j = b, =,,..., j= Ο αριθμός των πράξεων που απαιτούνται για την επίλυση του συστήματος με τις απευθείας μεθόδους είναι τάξης O ]. [ 7

Το σύστημα = det A 0. A b έχει λύση εάν ο πίνακας A είναι αντιστρέψιμος ή εάν Το σύστημα A = 0 έχει μη μηδενική λύση εάν ο πίνακας A είναι μη αντιστρέψιμος det A = 0. ή εάν Οι ιδιοτιμές ή χαρακτηριστικές τιμές λ ενός πίνακα A προκύπτουν επιλύοντας συστήματα όπως το σύστημα A = λ ή A λi = 0, όπου είναι το αντίστοιχο ιδιοδιάνυσμα ή χαρακτηριστικό διάνυσμα. Το σύστημα αυτό έχει μη μηδενική λύση μόνο όταν λ χαρακτηριστική εξίσωση 0 + λ+... + λ + λ = 0 c c c από την οποία προκύπτουν οι ιδιοτιμές λ, λ,..., λ. Φασματική ακτίνα πίνακα A: ρ = ma{ λ } A, =,,...,. det A I = 0 που οδηγεί στην 8

Επίλυση του συστήματος A = b με τον κανόνα του Cramer: = A A,,,..., = όπου A = a a... a a a... a............ a a... a............ a a... a A = a a... b... a a a... b... a.................. a a... b... a.................. a a... b... a η στήλη αντικαθίσταται με το διάνυσμα b Πλεονέκτημα: Η λύση είναι σε κλειστή μορφή Μειονέκτημα: Ο αριθμός πράξεων για σύστημα εξισώσεων είναι O!. 6 Για σύστημα 0 εξισώσεων ο αριθμός πράξεων είναι 0 O. 9

.. Απαλοιφές elmato Gauss και Gauss-Jorda Κύρια χαρακτηριστικά απαλοιφής Gauss: Α Αντικατάσταση κάθε στοιχείου της διαγωνίου με μονάδα Β Αντικατάσταση κάθε στοιχείου κάτω από τη διαγώνιο με μηδέν Γ Αντικατάσταση όλων των άλλων στοιχείων με τις τιμές που προκύπτουν από τα παραπάνω βήματα χωρίς να αλλοιώνεται το αρχικό σύστημα. Κύρια χαρακτηριστικά απαλοιφής Gauss-Jorda: Δ Αντικατάσταση κάθε στοιχείου πάνω από τη διαγώνιο με μηδέν εκτός της στήλης + Ε Αντικατάσταση κάθε στοιχείου της στήλης + με τις τιμές που προκύπτουν από τα παραπάνω βήματα χωρίς να αλλοιώνεται το αρχικό σύστημα Αριθμός πράξεων απαλοιφής Gauss: 5 5 + προσθαφαιρέσεις, + πολλαπλασιασμούς, + διαιρέσεις 6 6 Αριθμός πράξεων απαλοιφής Gauss-Jorda: + προσθαφαιρέσεις, πολλαπλασιασμούς, διαιρέσεις 0

Παράδειγμα: Απαλοιφή Gauss με μερική οδήγηση 0 7 5 0 0 0.4 0.4 r r r r/5 r r r 5 0 0 7 0 7 0 0.4 0.4 0 0.4 0.4 0 0.4 0.4 0 0.6.6 r r 0 7 r r / 0. 0.66 0-7 0 0.6.6 0 0.6.6 0 0.4 0.4 0 0.4 0.4 r r r 0. 0.66 r r / 4.06 0. 0.66 0 0 4.06.9 0 0 0.968 = 0.4 + 0.4 = 0.66 +. = 0.787 =.590 = 0.968 = 0.968

Παράδειγμα: Να λυθεί το σύστημα Α Χωρίς οδήγηση: 0. 005 0. 5 με αριθμητική σημαντικών ψηφίων. 0. 005 0. 5 00 00 00 00 00 00 0 99 99 0 00 99 99 = = 0. 495 0. 50, = 00 00 0. 5 = 0 ΛΑΘΟΣ!! 00 Β Με οδήγηση: 0. 005 0. 5 0. 005 0. 5 0 0. 995 0. 495 0 0. 0. 50 = 05., = 05. = 05. ΣΩΣΤΟ σε σημαντικά ψηφία Η λύση με ακρίβεια 4 σημαντικών ψηφίων είναι = 0. 505 και = 0. 4975

Παράδειγμα ολική οδήγηση: Επιλύστε το παρακάτω σύστημα με απαλοιφή Gauss ολικής οδήγησης και σχολιάστε την ακρίβεια του αποτελέσματος: 0. 00 0. 0. 0. 5 0. 7 0. 66 0. 66 0. 85 0. 6 0. 76 0. 477 = 0. 8 0. 6 0. 76 0. 477 0. 8 = 0. 00 0. 0. 0. 5 0. 7 0. 66 0. 66 0. 85 0. 66 0. 7 0. 66 0. 85 0. 6 0. 944 0. 40 0. 76 0. 6 0. 477 = 0. 8 0 0. 8 0. 0. 07 = 0 0. 056 0. 0. 4 0. 0. 00 0. 0. 5 0. 6 0. 944 0. 40 0. 944 0. 6 0. 40 0 0. 056 0. = 0. 4 0 0. 0. 056 0. 4 = 0 0. 0. 8 0. 07 0. 944 0. 6 0. 40 0. 096 0 0. 40. 09 = 0. 69 = 0 0 0. 67 0. 67 0 0. 8 0. 0. 07

Σημειώνεται ότι η απλή απαλοιφή Gauss χωρίς μερική ή ολική οδήγηση είναι ένας ασταθής αλγόριθμός διότι είναι πιθανόν ο οδηγός να είναι μηδέν με αποτέλεσμα να γίνονται διαιρέσεις με μηδέν και το αποτέλεσμα να απειρίζεται ή να είναι ένας μικρός αριθμός και στις πράξεις που πραγματοποιούνται να αυξάνουν σημαντικά τα σφάλματα στρογγυλοποίησης. Επομένως, η εφαρμογή του σε συστήματα που είναι αριθμητικά μη καλώς τοποθετημένα συνήθως οδηγεί σε λάθος αποτελέσματα. Αντίθετα, ο αλγόριθμος απαλοιφής Gauss με μερική ή ολική οδήγηση είναι ευσταθής. Μεταξύ της μερικής και ολικής απαλοιφής Gauss συνήθως επιλέγεται η πρώτη επειδή το υπολογιστικό κόστος είναι μικρότερο και οδηγεί σε σωστά αποτελέσματα \. 4

.. Παραγοντοποίηση actorzato or decomposto LU, μέθοδος Cholesky και Αλγόριθμος Thomas Ο πίνακας A παραγοντοποιείται σύμφωνα με τη σχέση A = ένας κάτω και ένας άνω τριγωνικός πίνακας αντίστοιχα. LU όπου L και U είναι A = b LU = b Στη συνέχεια ορίζεται ένα νέο διάνυσμα y έτσι ώστε U = στο παραπάνω σύστημα και προκύπτει Ly = b. y που αντικαθίσταται Επιλύεται το κάτω τριγωνικό σύστημα και βρίσκεται το διάνυσμα y και στη συνέχεια επιλύεται το άνω τριγωνικό σύστημα U = y και προκύπτει το διάνυσμα. Ο αριθμός πράξεων είναι αντίστοιχος με αυτόν της απαλοιφής Gauss. 5

A = LU a... a l 0 0 u...... u l l 0 0 0 u... u......... =... 0 0 =... 0 a... a l......... l 0 0 l lu lu... lu l lu + l lu + lu... lu + lu l lu + l lu + lu + l... lu + lu + lu...... l l u + l l u + lu + l... lkuk + l k= 6

Γενικές εκφράσεις: Στοιχεία της στήλης του L: l = a l u, j=, +,..., j j jk k k= Στοιχεία της γραμμής του U : Μέθοδος Cholesky j = j k kj l k= u a lu, j = +,..., T Στη περίπτωση που ο πίνακας A είναι συμμετρικός A= A και θετικά ορισμένος T δηλαδή για τον οποίο ισχύει A > 0 για κάθε R αποδεικνύεται, T εφαρμόζοντας την παραγοντοποίηση LU, ότι ο πίνακας U=L και επομένως T A = LL Η ιδιότητα αυτή είναι σημαντική επειδή μειώνει δραστικά τον αναγκαίο αριθμό πράξεων. Ο συνολικός αριθμός πράξεων που απαιτούνται στη μέθοδο Cholesky είναι O. 7

Παράδειγμα: Εφαρμόστε παραγοντοποίηση Cholesky στο συμμετρικό πίνακα [ A] 6 5 55 = 5 55 5 = 55 5 979 LL T. Οι προϋποθέσεις για τη παραγοντοποίηση Cholesky ο πίνακας Α πρέπει να είναι: α συμμετρικός και β θετικά ορισμένος Εφαρμόζονται οι παρακάτω εξισώσεις για τα στοιχεία του πίνακα L: l k = a k l j= ll j kj Για τη η, =, k * k kk kk kj j= l = a l ** k = εφαρμόζεται η Εξ. **: l = a 0 = 6 =.4495 8

Για τη η σειρά k =, αρχικά εφαρμόζεται η Εξ. * Εξ.** = : = και στη συνέχεια η l a 0 5 l.4495 = = = 6.7 l = a l = 55 6.7 = 4.8 Για τη η σειρά k = αρχικά εφαρμόζεται η Εξ. * για τα δύο πρώτα στοιχεία =, και μετά την Εξ. ** = l a 0 55 l.4495 = = =.454 l a l l l = = = 5 6.7.454 4.8 0.97 = = 979.454 0.97 = 6.0 l a l l 9

Άρα, ο πίνακας L είναι: [ L].4495 0 0 = 6.7 4.8 0.454 0.97 6.0 Σημείωση: Εναλλακτικά, η απαλοιφή Gauss μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγοντοποίηση του πίνακα Α. Στη περίπτωση αυτή εφαρμόζεται και οδήγηση. 0

Αλγόριθμος Thomas: Παραγοντοποίηση LU σε τριδιαγώνιο σύστημα A = LU a γ 0 0 d 0 0 u 0... 0 β a γ 0 0 l d 0 0 0 u... 0 0...... =0 0 0 0 = 0 γ... 0 d 0 u 0 0 β a 0... 0 l d 0 0 d du 0... 0 l lu + d du... 0 0 l lu + d...... d u 0 0 l lu + d d l = β, =,..., u = a = γ / d d = a lu, =,..., u = γ / d, =,...,

Έστω το τριδιαγώνιο σύστημα: a γ 0 0 β a γ 0 0 0......... =...... 0 γ 0... 0 β a Αλγόριθμος Thomas: e g βγ = a, e = a, =,..., e βg =, g =, =,..., e e g = g, = g +, =,...,, e Ο συνολικός αριθμός πράξεων που απαιτούνται στον αλγόριθμο Thomas είναι O.

4 0 u 000 Παράδειγμα: Να επιλυθεί το σύστημα 4 u = 0 με αλγόριθμο Thomas. 0 4 u 000 Αλγόριθμος Thomas: e = =, a 4 g 000 e = = = 500, e 4 = g = 57.4, βγ = a = 4 =.75, e 4 e βγ 4.7 = a = = e.75 β 0 500 g g = = =., e.75 βg 000. g = = = 57.4 e.7 g = g = 57.4 57.4 = 85.7, e.75 g = g = 500 85.7 = 57.4 e 4

.. Νόρμες πινάκων, δείκτης κατάστασης πίνακα, ασταθή συστήματα Νόρμες διανυσμάτων: p / : νόρμα l ή Ευκλείδεια = = = : νόρμα l ή αθροίσματος = = ma : νόρμα l or μεγίστου / p p : νόρμα l p ή γενική p [, = = Για κάθε νόρμα διανύσματος μπορούμε να ορίσουμε την αντίστοιχη νόρμα πίνακα. 4

Νόρμες πινάκων ορισμός: A = ma 0 R A Νόρμα αθροίσματος γραμμών: A 0 j = R ' A = ma = ma a j Νόρμα αθροίσματος στηλών: A ' A = ma = ma 0 j = R a j T Ευκλείδεια νόρμα: / A = ρ AA Σε Ερμιτιανούς πίνακες ισχύει ότι η ευκλείδεια νόρμα ισούται με την φασματική / / * ακτίνα: A = ρ AA = ρ A = ρ A 5

Δείκτης κατάστασης Εξετάζεται η ευστάθεια του συστήματος A = b, A R και είναι αντιστρέψιμος, όταν εισάγονται στο διάνυσμα b, διαταραχές δb R. Τότε εάν + δ είναι η λύση του συστήματος ισχύει ότι A + δ = A + Aδ = b + δb Aδ = δb δ A δb δ A δb = = δ A δb b R b = A b = A b A Συνδυάζοντας τις δύο ανισότητες προκύπτει ότι δ b A A δb δ A A δb b που αποτελεί μέτρηση του άνω φράγματος της αλλαγής στη λύση που επιφέρει η εξωτερικά επιβαλλόμενης διαταραχής δb. 6

δ K A = = A A δb Δείκτης κατάστασης πίνακα A: Σημειώνεται ότι K A > Απόδειξη: K b A = A A AA = I = Εάν K A είναι κοντά στη μονάδα τότε ο πίνακας A είναι σε καλή κατάσταση. Εάν K A >> τότε είναι ο πίνακας A σε κακή κατάσταση. Ο δείκτης κατάστασης ορίζεται μόνο για αντιστρέψιμους πίνακες και εάν ο πίνακας K A τείνει να είναι ιδιόμορφος τότε. Για οποιαδήποτε νόρμα πίνακα ισχύει ότι ρ A < A. 7

. Επίλυση συστημάτων με απλές επαναληπτικές μεθόδους A b A Q Q b Q Q A b Q Q A Q b = + = = + = + = G + k, όπου G = Q Q A = I Q A και k = Q b Απλός επαναληπτικός αλγόριθμος: m+ m = G + k, όπου G ο πίνακας επανάληψης. Έστω m m σ = + m m m σ + = G σ + + k = Gσ + G + k m+ m σ = Gσ Αποδεικνύεται ότι m m m m 0 σ = Gσ = G σ =... = G σ, όπου 0 σ το αρχικό σφάλμα. Επομένως m m lm σ = 0 εάν lm G = 0 το οποίο ισχύει εάν G < m m m m Απόδειξη: εάν G < τότε G G 0, δηλαδή G m 0 Τέλος, επειδή ρ G < G < προκύπτει ότι η επαναληπτική μέθοδος συγκλίνει εάν η φασματική ακτίνα του πίνακα επανάληψης G είναι μικρότερη της μονάδας. 8

Για την εφαρμογή των μεθόδων Jacob και Gauss-Sedel διασπούμε τον αρχικό πίνακα συντελεστών του συστήματος ως εξής: A= D+ L+ U, όπου a... a A =........., a... a 0 0... 0 a 0 0... 0 L =... 0 0 0,... 0 0 a...... a, 0 D U a 0... 0 0 a 0 =... 0... 0... 0 a, 0 0... 0 a 0 a...... a 0 0 a... a = 0 0 a, 0 0 0 9

.. Μέθοδος Jacob A = b D+ L+ U = b D = L+ U + b = D A D + D b = D D A + D b = I D A + D b Επομένως ο επαναληπτικός αλγόριθμος Jacob δίδεται από τη σχέση: m+ m = G + k, όπου J J GJ = I D A και k J = D b Η μέθοδος συγκλίνει εάν ρ G < J Είναι προφανές ότι στη μέθοδο Jacob Q D 40

Γράφοντας το σύστημα A = b στη μορφή a= b a a... a a... a = a + b, =,...,,,, + +, j j j= j m+ m Αλγόριθμος Jacob: = a j j + b a j= j Παράδειγμα: 4 + + = + = + + 4 = 6 = 4 4 4 = + 6 = 4 4 4 = 4 4 4 m+ m = + 6 = 4 4 4 m+ m m m+ m m 4

0 0 0 = = = = = 4 4 4 = + = 6 = = 4 4 4 4 5 = = 4 4 4 4 6 5 = + = 6 5 = = 4 4 4 = 0.875 =.97 =.07... Η επαναληπτική διαδικασία ολοκληρώνεται τερματίζεται όταν m+ m < ε, =,..., ή = m+ m < ε Η μέθοδος εφαρμόζεται χωρίς να εισάγουμε τα δεδομένα σε πινακοποιημένη μορφή! 4

Αλγόριθμος Jacob με χαλάρωση: N m+ m ω m = ω + b a j j a, =,,, j= j Τυπική επαναληπτική μέθοδος Jacob: b a N = j j a j= j m+ m Αλγόριθμος Jacob με χαλάρωση υπό μορφή πινάκων: A b D L U b I D A D b = + + = = + = ω + ω I D A + D b ω ω I I D A ω D b = + + I ω D A ω D b = + m m + = J, rela + ω G D b, όπου G J, rela = I ω D A 4

.. Μέθοδος Gauss-Sedel Γράφοντας το σύστημα A = b στη μορφή a= b a a... a a... a = b a a,, + +, j j j j j= j= + Αλγόριθμος Gauss-Sedel δίδεται από τη σχέση:, m+ m+ m a = a a + b j j j j j= j= + Παράδειγμα: 4 + + = + = + + 4 = 6 = 4 4 4 = + 6 = 4 4 4 = 4 4 4 m+ m+ = + 6 = 4 4 4 m+ m m m+ m+ m+ 44

0 0 0 = = = = = 4 4 4 5 = + = 6 5 9 = = 4 4 4 8 = = = 9 5 64 78 56 = 0.9990 =.995 =.996... Jacob από παραπάνω: 0 0 0 = = = = = 4 4 4 = + = 6 = = 4 4 4 4 5 = = 4 4 4 4 6 5 = + = 6 5 = = 4 4 4 = 0.875 =.97... =.07 45

Πίνακας επανάληψης G GS της μεθόδου Gauss-Sedel: A = b D+ L+ U = b D+ L = U+ b = D+ L U+ D+ L b = D+ L A D L + D+ L b = D+ L D+ L A + D+ L b = I D+ L A + D+ L b Επομένως ο επαναληπτικός αλγόριθμος Gauss-Sedel δίδεται από τη σχέση: m+ m = G + k, όπου = + GS Η μέθοδος συγκλίνει εάν ρ < GS GS GS G I D L A και k = D+ L b G στη μέθοδο Gauss-Sedel Q D+ L GS Οι μέθοδοι Jacob και Gauss-Sedel εφαρμόζονται σε συστήματα A = συντελεστών A είναι κυρίαρχα διαγώνιος a a, =,...,. j= j j b όπου ο πίνακας 46

Μέθοδος Gauss-Sedel με χαλάρωση SOR: ω b a a m+ m m+ m = ω + j j j j a j= j= +, =,,, όπου ω 0,] είναι ένας πραγματικός αριθμός και ονομάζεται συντελεστής χαλάρωσης. Για ω =, η μέθοδος SOR ανάγεται στη μέθοδο GS. Για ω > και ω <, προκύπτει υπέρ-χαλάρωση και υπό-χαλάρωση αντίστοιχα. Υπό μορφή πινάκων ο αλγόριθμός SOR γράφεται στη μορφή: m+ m = D+ ωl ω D ωu + ω D+ ωl b 47

.4 Μέθοδος Newto Γενική μορφή συστήματος αλγεβρικών εξισώσεων μη γραμμικά συστήματα:,,..., = 0,,..., = 0...,,..., = 0 Μέθοδοι απλών επαναλήψεων η μαθηματική επεξεργασία σύγκλισης δεν είναι εφικτή:...,,,..., k+ k k k k = F,,,..., k+ k k k k = F,,...,, k+ k k k k = F ή...,,,..., k+ k k k k = F,,,..., k+ k+ k k k = F,,...,, k+ k+ k+ k+ k = F 48

Τις περισσότερες φορές η σύγκλιση των μεθόδων απλών επαναλήψεων όταν εφαρμόζονται σε μη γραμμικά συστήματα είναι αργή. Για το λόγο αυτό μη γραμμικά συστήματα επιλύονται κατά κύριο λόγο με τη μέθοδο Newto ή Newto-Raphso. Εισαγωγικά εξετάζεται ένα σύστημα εξισώσεων με αγνώστους:, = 0, = 0 k k Έστω ότι, είναι οι αναλυτικές λύσεις με, συμβολίζονται οι αντίστοιχες αριθμητικές μετά από k επαναλήψεις με τα σφάλματα να ορίζονται από τις σχέσεις k k k k σ = και σ =. k k k k k k k k, σ σ = 0 σ, σ = 0 k k k k,, k k k k σ, σ = 0 k k k k, σ σ = 0 k k k k,, 49

σ σ k k k k + σ =, k, k k, k k k k k + σ =, k, k k, k ή k k σ = k k k k, k k σ, Επιλύοντας το γραμμικό σύστημα με απευθείας ή επαναληπτικές μεθόδους προκύπτουν τα σ και σ. Έστω ότι εφαρμόζεται η μέθοδος Cramer το σύστημα είναι μόλις εξισώσεων: σ k k k, k = = k k, k k, k k σ k k k, k = = k k, k k, k k 50

Στη συνέχεια εισάγονται οι ορισμοί των σφαλμάτων και προκύπτει ο επαναληπτικός αλγόριθμος Newto για σύστημα εξισώσεων: k+ k = k και k+ k = k Σημειώνεται ότι σε κάθε επανάληψη απαιτείται η επίλυση ενός γραμμικού συστήματος!!! Απλοποιημένη Newto: + = k k ω k και + = k k ω k 5

Παράδειγμα:, = s = 0 4π e, = e e + e = 0 4π π = + cos cos = + 4π = + π e e e = π 5

Το σύστημα που επιλύεται σε κάθε επανάληψη είναι k k σ = k σ k και οι νέες τιμές προκύπτουν από τις σχέσεις Πίνακας αποτελεσμάτων k+ k k = σ, k+ k k = σ k k k k k k 0 0.400.000 0.07-0.04 0.045-0.007 -.4 0.865 0.8.49-0.4.75-0.66.74 0.8-0.6-4.66 0.865-0.86.08-0.45 0.7-0.05 0.00-0.9-0.00-4. 0.865 0.06 0.4-0.6 0.69 0.0009 0.000-0.95-0.08-4.5 0.865-0.0007-0.00 4-0.60 0.6 0.0000 0.0000-0.9-0.08-4.4 0.865 0.0000 0.000 5-0.60 0.6 0.0000 0.0000 k k k σ k σ k Σημείωση: οι συναρτήσεις και οι μερικές παράγωγοι υπολογίζονται στα σημεία k και k. 5

Παράδειγμα: Να βρεθούν µε τη μέθοδο Newto οι ρίζες της εξίσωσης z z+ = 0 Έστω z = + y y y y 0 = 05. και y = ± 0. 86605 + + = y y + + = 0 Αριθμητική λύση με μέθοδο Newto: επιλύεται το σύστημα = = y = y y Το σύστημα που επιλύεται σε κάθε επανάληψη είναι y + = 0 y y = 0 = y k k y σ y + y = k σ y y k k+ k k = σ, k+ k k y = y σ 54

Πίνακας αποτελεσμάτων k y dd ddy dd ddy d dy err err 0-0.4 0. 00 5.5 0.6 0.8 0. 0.6 0. -.6.6 0. 0.07-0.065 0 7.6 0.49 0.86 0.0078-0.0-0.05 -.7.7-0.054-0.0077-0.00446.6 0.6 4 0.500 0.866 0.0000 985 0.0000 69 0.0000 797 -.7.7 0.0000 797 Επομένως z = 0. 5 + 0. 866. Βρείτε τη συζυγή ρίζα. 0.00009 8 Η μέθοδος Newto χρησιμοποιείται στην εύρεση μιγαδικών ριζών. 0.0000 0.000 0.000 55

Επέκταση σε σύστημα εξισώσεων: k k k k k k σ σ σ,,..., = 0 k k k k k k σ σ σ,,..., = 0... k k k k k k σ σ σ,,..., = 0... k k k k,,..., σ = 0 = k k k k,,..., σ = 0 =,,..., = 0 k k k k σ = 56

Το γραμμικό σύστημα που επιλύεται σε κάθε επανάληψη είναι = =... = σ σ σ k k k = = = k k k και στη συνέχεια k+ k k = σ, =,..., k. Το υπολογιστικό φορτίο ανά επανάληψη είναι μεγάλο σε σχέση με άλλες μεθόδους αλλά συνήθως η μέθοδος Newto συγκλίνει σε μικρό αριθμό επαναλήψεων. Εναλλακτική κλειστή μορφή αλγορίθμου Newto για σύστημα εξισώσεων: 57

...... + + + + + + + + + k+ k k k + = σ =,..., J, =,...,. 58

Ασκήσεις:. Επιλύστε με μία απευθείας μέθοδο διατηρώντας τρία σημαντικά ψηφία σε όλους τους υπολογισμούς το γραμμικό σύστημα 0. 7 46 6. 9 = 4 6 7 Αιτιολογήστε την επιλογή της μεθόδου και επαληθεύστε ότι η λύση που προκύπτει ικανοποιεί το γραμμικό σύστημα.. Α Έστω ότι για την εύρεση της ρίζας της εξίσωσης = 0 εφαρμόζεται ο επαναληπτικός αλγόριθμος + ω = ωf + όπου ω ένας πραγματικός αριθμός. Να υπολογιστεί η τιμή του ω που να βελτιστοποιεί το ρυθμό σύγκλισης της επαναληπτικής διαδικασίας. 4 Β Δίδεται ό πίνακας A = 4 4 ρ του πίνακα επανάληψης της μεθόδου Jacob για γραμμικά αλγεβρικά συστήματα με πίνακα συντελεστών G J Υπολογίστε τη φασματική ακτίνα τον πίνακα A. Γ Υπολογίστε τον αριθμό προσθέσεων/αφαιρέσεων, πολλαπλασιασμών και διαιρέσεων ανά επανάληψη της μεθόδου Jacob.. c. Δίδεται ο πίνακας A =, όπου c αυθαίρετος πραγματικός αριθμός. Να βρεθεί το εύρος των τιμών του c, για το οποίο οι μέθοδοι Jacob c. και Gauss Sedel συγκλίνουν όταν εφαρμοστούν στην επίλυση του συστήματος A = b. 59

0 4. Με αρχική εκτίμηση =,, T εφαρμόστε μία επανάληψη του αλγορίθμου Newto για τον υπολογισμό μιας λύσης εξισώσεων: 4 + = + 9 = 0 του συστήματος 4 = Κατά την διαδικασία υπολογισμού η επίλυση του προκύπτοντος γραμμικού συστήματος να γίνει με απευθείας μέθοδο όχι επαναληπτική. 5. Για την επίλυση του γραμμικού αλγεβρικού συστήματος A = b προτείνεται ο επαναληπτικός αλγόριθμος: N + ω = ω + b a j j a, =,,, N, j= j όπου a j και b τα στοιχεία του πίνακα A και του διανύσματος b αντίστοιχα, N ο αριθμός των εξισώσεων του συστήματος, ω η παράμετρος χαλάρωσης και ο δείκτης επανάληψης. Α Διατυπώστε τη γενική μορφή του πίνακα επανάληψης G του αλγορίθμου. Β Συγκρίνετε τον προτεινόμενο επαναληπτικό αλγόριθμο με τις μεθόδους Jacob και Gauss Sedel σχολιασμός. Γ Προγραμματίστε τον αλγόριθμο. Δ Εφαρμόστε τον αλγόριθμο κάνοντας επαναλήψεις με ω =. στο σύστημα: + 7 = + = 5 = 6. Να βρεθεί τουλάχιστον μια ρίζα εκτός του μηδενός της εξίσωσης ω = ω ta α με τη μέθοδο της διχοτόμου και β με τη μέθοδο Newto. 60

4 0 u 000 7. Να επιλυθεί το σύστημα 4 u = 0 με αλγόριθμο Thomas. 0 4 u 000 Επίσης, να γίνουν επαναλήψεις του επαναληπτικού σχήματος Jacob με αρχική εκτίμηση φασματική ακτίνα του G J. 0 0 0 u = u = u = και να υπολογιστεί η 0 8. Δίδεται το σύστημα A = b όπου ο πίνακας είναι συμμετρικός A T = A και κυρίαρχα διαγώνιος a N a, =,..., N. Προτείνετε την βέλτιστη μέθοδο επίλυσης του συστήματος και αιτιολογείστε την απάντησή σας. + =.9 Να γίνουν δύο επαναλήψεις της μεθόδου Newto για την επίλυση του συστήματος: + = 4. 0 0 Αρχική εκτίμηση =, =. Διατυπώστε εν συντομία τα κύρια πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της μεθόδου Newto. 0 j= j j 9. Επιλύστε το εξής σύστημα εξισώσεων: 0.00 + 0.09044 = 0.04744 0.0400 +.556000 = 6.0800 χρησιμοποιώντας απαλοιφή Gauss με μερική οδήγηση. Δείξτε καθαρά όλα τα βήματα με ακρίβεια 5 σημαντικών ψηφίων. 0. Θεωρείστε την εξίσωση 6+ 5= 0. Προτείνετε έναν επαναληπτικό αριθμητικό αλγόριθμο εύρεσης μίας εκ των ριζών που εξετάστε την σύγκλιση του σχήματος για οποιαδήποτε αρχική τιμή. 6

α β. Για ένα γενικό πίνακα A = βρείτε τους πίνακες επανάληψης γ δ βρείτε τις ιδιοτιμές και εξετάστε τυχόν αλληλοεξάρτησή τους. G J και G GS των μεθόδων Jacob και Gauss-Sedel αντίστοιχα. Επίσης. Να επιλυθεί το μη γραμμικό σύστημα:, = + = 0, = + 8= 0. Για τον αριθμητικό υπολογισμό της ρίζας της εξίσωσης = προτείνεται ο επαναληπτικός αλγόριθμος: εάν ο προτεινόμενος επαναληπτικός αλγόριθμος θα συγκλίνει στην αναλυτική ρίζα περιοριστικές συνθήκες στην αρχική εκτίμηση 0. = + Να εξεταστεί + / =. Εάν συγκλίνει δώστε την τάξη σύγκλισης και τυχόν 4. Να λυθεί το σύστημα ρυθμός σύγκλισης. + y = 0 y + = y 57 με τη μέθοδο Newto-Raphso με αρχικές τιμές = 5. και y. 5 0 o =. Να προσδιορισθεί αριθμητικά ο 5. Θεωρήστε την δευτεροβάθμια εξίσωση a+ β = 0, όπου α, β>0 και a >> β. Δώστε έναν ευσταθή αλγόριθμο για τον υπολογισμό των ριζών. 6