5269: Υπολογιστικές Μέθοδοι για Μηχανικούς Συστήματα Γραμμικών Αλγεβρικών Εξισώσεων

Σχετικά έγγραφα
5269: Υπολογιστικές Μέθοδοι για Μηχανικούς Συστήματα Γραμμικών Αλγεβρικών Εξισώσεων

Μάθημα Επιλογής 8 ου εξαμήνου

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ

Επίλυση Γραµµικών Συστηµάτων

Ειδικά θέματα στην επίλυση

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

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΕΠΙΛΥΣΗ ΓΡΑΜΜΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ. nn n n

Κεφ. 2: Επίλυση συστημάτων εξισώσεων. 2.1 Επίλυση εξισώσεων

Αριθμητική Ανάλυση και Εφαρμογές

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

ΓΡΑΜΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΞΙΣΩΣΕΩΝ

ΜΕΜ251 Αριθμητική Ανάλυση

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

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

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

Αριθμητική Ανάλυση και Εφαρμογές

Θερμοδυναμική - Εργαστήριο

Παναγιώτης Ψαρράκος Αν. Καθηγητής

ΠΛΗ 12- Σχέση ισοδυναμίας, γραμμικά συστήματα και απαλοιφή Gauss

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

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

Π Ε Ρ Ι Ε Χ Ο Μ Ε Ν Α. Πρόλογος...15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. Σφάλματα

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

3. Γραμμικά Συστήματα

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ 7ο Σετ Ασκήσεων (Λύσεις) Γραμμικά Συστήματα- Απαλοιφή Gauss Επιμέλεια: I. Λυχναρόπουλος

Παραδείγματα Απαλοιφή Gauss Απαλοιφή Gauss-Jordan Παραγοντοποίηση LU, LDU

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

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά

Αριθμητική Ανάλυση και Εφαρμογές

ΘΕΩΡΙΑ ΠΙΝΑΚΩΝ. Ορισμός 1: Ένας πίνακας Α με m γραμμές και n στήλες,

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 2 : Επίλυση Γραµµικών Εξισώσεων. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

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

ΘΕΜΑΤΑ ΕΞΕΤΑΣΗΣ ΚΑΙ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟ ΟΣ:

ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝ ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗΣ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗΣ ΚΑΙ ΕΠΙΛΥΣΗΣ ΓΡΑΜΜΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗ-ΓΡΑΜΜΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ: ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ MATLAB

Μέθοδοι μονοδιάστατης ελαχιστοποίησης

Παραδείγματα Απαλοιφή Gauss Απαλοιφή Gauss Jordan

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ Τελική Εξέταση 8/6/2017 Διδάσκων: Ι. Λυχναρόπουλος

Μέθοδοι μονοδιάστατης ελαχιστοποίησης

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

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ 7ο Σετ Ασκήσεων (Λύσεις) Ορίζουσες Επιμέλεια: Ι. Λυχναρόπουλος

ΜΕΘΟΔΟΣ ΠΕΠΕΡΑΣΜΕΝΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ

ΧΡΟΝΙΚΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗ. Για την επίλυση χρονομεταβαλλόμενων προβλημάτων η διακριτοποίηση στο χώρο γίνεται με πεπερασμένα στοιχεία και είναι της μορφής:

1 Αριθµητική Γραµµική Άλγεβρα: Ασκήσεις

Περιεχόμενα. Πρόλογος 3

Εάν A = τότε ορίζουμε την ορίζουσα του πίνακα ως τον αριθμό. det( A) = = ( 2)4 3 1 = 8 3 = 11. τότε η ορίζουσά του πίνακα ισούται με

ΤΜΗΜΑ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΑΚ. ΕΤΟΣ Μαθηματικά για Οικονομολόγους ΙI-Μάθημα 4 Γραμμικά Συστήματα

ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΔΥΟ ΔΙΑΣΤΑΣΕΩΝ

HY213. ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΤΕΤΡΑΓΩΝΑ AΝΑΛΥΣΗ ΙΔΙΑΖΟΥΣΩΝ ΤΙΜΩΝ

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

Μέθοδοι πολυδιάστατης ελαχιστοποίησης

Πίνακας Περιεχομένων

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)

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ 9ο Σετ Ασκήσεων (Λύσεις) Διανυσματικοί Χώροι

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

Αριθμητική εύρεση ριζών μη γραμμικών εξισώσεων

Παραδείγματα (1 ο σετ) Διανυσματικοί Χώροι

ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΜΑΖΑΣ

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

Προσεγγιστική λύση Γραμμικών Συστημάτων με την μέθοδο Gauss-Seidel. Δημιουργία κώδικα στο Matlab

Αριθμητική Ανάλυση και Εφαρμογές

Επαναληπτικές μέθοδοι για την επίλυση γραμμικών συστημάτων. Μιχάλης Δρακόπουλος

2.1 Αριθμητική επίλυση εξισώσεων

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

Q 12. c 3 Q 23. h 12 + h 23 + h 31 = 0 (6)

Συνήθεις διαφορικές εξισώσεις προβλήματα οριακών τιμών

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

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

Κεφάλαιο 1 Συστήματα γραμμικών εξισώσεων

Πεπερασμένες Διαφορές.

2x 1 + x 2 x 3 + x 4 = 1. 3x 1 x 2 x 3 +2x 4 = 3 x 1 +2x 2 +6x 3 x 4 = 4

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΜΕΡΟΣ ΠΡΩΤΟ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΘΕΩΡΙΑΣ ΣΥΝΟΛΩΝ ΚΑΙ ΣΥΝΔΥΑΣΤΙΚΗΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ

Διανύσµατα στο επίπεδο

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 2 : Επίλυση Γραµµικών Εξισώσεων. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Εισαγωγή στον Προγραµµατισµό. Ανάλυση (ή Επιστηµονικοί8 Υπολογισµοί)

Κεφάλαιο 12: Υδραυλική ανάλυση δικτύων διανομής

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ

Αριθμητική Ανάλυση & Εφαρμογές

Μαθηματικά Διοικητικών & Οικονομικών Επιστημών

Επιστηµονικοί Υπολογισµοί(Αριθµητική Γραµµική Αλγεβρα)

HY213. ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ

Project 1: Principle Component Analysis

Αριθμητική Ολοκλήρωση της Εξίσωσης Κίνησης

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

5. Επίλυση Γραμμικών Συστημάτων

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

Γραμμική Άλγεβρα Ι,

Αριθμητική Ανάλυση και Εφαρμογές

Αριθµητική Ανάλυση. 27 Οκτωβρίου Αριθµητική Ανάλυση 27 Οκτωβρίου / 72

Πρόλογος Εισαγωγή στη δεύτερη έκδοση Εισαγωγή... 11

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΥΔΡΑΥΛΙΚΗΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΤΕΧΝΙΚΗΣ. Διάλεξη 6: Εξίσωση διάχυσης (συνέχεια)

Πίνακες Ορίζουσες. Πίνακας: ορθογώνια διάταξη αριθμών που αποτελείται από γραμμές και στήλες.

Non Linear Equations (2)

Παραδείγματα Ιδιοτιμές Ιδιοδιανύσματα

Αναγνώριση Προτύπων Ι

[A I 3 ] [I 3 A 1 ].

Αστικά υδραυλικά έργα

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

1.1. Με τι ασχολείται η Αριθμητική Ανάλυση

Επαναληπτικές μέθοδοι

Transcript:

5269: Υπολογιστικές Μέθοδοι για Μηχανικούς Συστήματα Γραμμικών Αλγεβρικών Εξισώσεων http://ecourseschemengntuagr/courses/computational_methods_for_engineers/

Συστήματα Γραμμικών Αλγεβρικών Εξισώσεων Γενικά: Σύστημα m γραμμικών αλγεβρικών εξισώσεων με n αγνώστους: a 11 1 + a 12 2 + + a 1n n = b 1 a 21 1 + a 22 2 + + a 2n n = b 2 n j1 ȧ m1 1 + a m2 2 + + a mn n = b m Αν: 1 m>n υπερπροσδιορισμένο ρ ρ [γενικά δεν έχει λύση] 2 m<n υπoπροσδιορισμένο [γενικά απειρία λύσεων] 3 m=n [γενικά μοναδική λύση]

Συστήματα Γραμμικών Αλγεβρικών Εξισώσεων Έστω ένα σύστημα 2 γραμμικών αλγεβρικών εξισώσεων με 2 αγνώστους: a 11 1 + a 12 2 = b 1 a 21 1 + a 22 2 = b 2 κάθε εξίσωση περιγράφει μια ευθεία: 1 1 = a 12 /a 11 2 + b 1 /a 11 ευθεία 1 1 = a 22 /a 21 2 + b 2 /a 21 ευθεία 2 Λύση 3 περιπτώσεις: 1 Μία και μοναδική λύση 2 2 Άπειρες λύσεις 3 Καμία λύση

Σύστημα n γραμμικών αλγεβρικών εξισώσεων με n αγνώστους: αναπαράσταση με χρήση πινάκων: a 11 1 + a 12 2 + + a 1n n = b 1 a 21 1 + a 22 2 + + a 2n n = b 2 ȧa n1 1 + a m2 2 + + a nn n = b n A nn n1 = b n1 b το σύστημα έχει μοναδική λύση όταν: det[α] 0 Η λύση μπορεί να προσδιοριστεί βάσει του κανόνα Cramer i A A a11 1 a b i b n 11 a a 2 1i 2i a ni

n A a 1 i C 1 i i1 Αλγεβρικά συμπληρώματα του Α (Cofactor) : i j C ij ( 1) M ij Το κόστος υπολογισμού αυξάνει σημαντικά, όταν το n μεγαλώνει και χρειάζονται Ο(n!) πολλαπλασιασμοί για Α nn

παράδειγμα 1: Υπολογίστε τον Cofactor πίνακα του Α παράδειγμα 2: Υπολογίστε την ορίζουσα του πίνακα του Α

FLOPS http://enwikipediaorg/wiki/top500 1 petaflops = 10 15 FLoating point OPerations per Second MATLAB >>=rand(10000) % 1000010000 random numbers >>y=rand(10000) >>tic; *y *y; toc % χρόνος υπολογισμού 10 8 πολλαπλασιασμών

n A a 1 i C 1 i i1 Αλγεβρικά συμπληρώματα του Α (Cofactor) : i j C ij ( 1) M ij Το κόστος υπολογισμού αυξάνει σημαντικά, όταν το n μεγαλώνει και χρειάζονται Ο(n!) πολλαπλασιασμοί για Α nn [Δηλαδή για έναν 100100 πίνακα χρειάζονται 10 143 s =10 136 χρόνια στον γρηγορότερο υπολογιστή (petaflops)] 10!~36M 100!~10 Χρησιμοποίηση αριθμητικών μεθόδων, για την επίλυση με μικρότερο 158 υπολογιστικό κόστος άμεσες (direct) 2 κατηγορίες επαναληπτικές (iterative)

Άμεσες μέθοδοι: 1 Μετασχηματισμός αρχικού προβλήματος σε ισοδύναμο, που απλοποιεί τη λύση πχ Α L, U 2 Πεπερασμένος και συγκεκριμένος αριθμός πράξεων 3 Μόνο σφάλμα στρογγυλοποίησης Επαναληπτικές μέθοδοι: 1 Διαρκής βελτίωση αρχικής προσεγγιστικής λύσης 2 Επίτευξη λύσης με ικανοποιητική ακρίβεια 3 Σφάλματα αποκοπής και στρογγυλοποίησης

Απαλοιφή Gauss: Μέθοδος: 1 Γενικό σύστημα A=b μετατρέπεται σε άνω τριγωνικό U=b («προς τα εμπρός απαλοιφή») 2 Επίλυση U=b με «προς τα πίσω αντικατάσταση» a 11 1 + a 12 2 + + a 1n n = b 1 U 11 1 + U 12 2 + + U 1n n = b 1 a 21 1 + a 22 2 + + a 2n n = b 2 a n1 1 + a m2 2 + + a nn n = b n 1 Για να πραγματοποιηθεί, πρέπει οι οδηγοί (pivot) U 11,U 22, U nn 0 2 Ορίζουσα ρζ του A = U = U 11U 22 U nn 3 Κόστος υπολογισμού 2/3 n 3 + O(n 2 ) προς τα εμπρός απαλοιφή n 2 +O(n) προς τα πίσω αντικατάσταση + U 22 2 + + U 2n n = b 2 U nn n = b n

παράδειγμα 3: Απαλοιφή Gauss (22) Προς τα εμπρός απαλοιφή 1 +2 2 =3 3 1 + 2 =6 1 2 1 +2 2 =3 5 2 = 3 Προς τα πίσω αντικατάσταση 1 +2 2 =3 5 2 = 3 2 =3/5 1 =3 2 3/5=9/5

1 + 2 + 3 =1 0 2 + 3 =2 2 + 3 =1

Παράδειγμα: Partial Pivoting (Απαλοιφή Gauss + αντιμετάθεση γραμμών) 1 + 2 + 3 =1 1 +10001 2 +2 3 =2 1 + 2 2 +2 3 =1 1 + 2 + 3 =1 00001 2 + 3 =1 2 + 3 =0 Naive Gauss 1 + 2 + 3 =1 00001 2 + 3 =1 2 + 3 =0 Αντιμετάθεση γραμμής (εξίσωση) 2 με γραμμή (εξίσωση) 3, ο συντελεστής a 3,2 είναι μεγαλύτερος 1 + 2 + 3 =1 2 + 3 =0 00001 2 + 3 =1 1 + 2 + 3 =1 1 + 2 + 3 =1 2 + 3 =0 00001 2 + 3 =1 09999 3 =1 9999 3= 10000 4 σημαντικά ψηφία 4 σημαντικά ψηφία 5 σημαντικά ψηφία 1 =0, 2 =0, 3 =1 1 =10, 2 = 10, 3 =10001 1 =10, 2 = 10, 3 =10

2 Κλιμάκωση (scaling) Παράδειγμα: 2 1 +100000 2 =100000 1 + 2 =2 2 1 +100000 2 =100000 49999 2 = 49998 1 =100002, 2 =099998 4 σημαντικά ψηφία 2 1 +100000 2 =100000 50000 2 = 50000 1 =0, 2 =1 Κλιμάκωση: Μέγιστος συντελεστής σε κάθε εξίσωση με απόλυτη τιμή 1 Παράδειγμα: 000002 1 + 2 =1 [(2 1 +100000 2 =100000) /100000] 1 + 2 =2 Pivot 1 + 2 =2 1 + 2 =2 3 σημαντικά ψηφία 000002 1 + 2 =1 (1 000002) 2 =1 000004 1 =1 2 =1

Συστήματα κακής κατάστασης: (ill conditioned systems) Μικρές μεταβολές (συντελεστές/σταθερές) οδηγούν σε μεγάλες αποκλίσεις στη λύση Ενδογενής ευαισθησία της λύσης σε σφάλματα στρογγυλοποίησης (συντελεστών/σταθερών) 1 det[a] 0 1 det[a] ~ 0 Λύση Λύση 2 2 Η ορίζουσα δίνει κάποια ένδειξη όταν Det[A]0 ( Det[A] <<1) ill conditioned system Η ορίζουσα επηρεάζεται από την κλιμάκωση Μπορούμε να συγκρίνουμε δύο συστήματα, εάν υποστούν κλιμάκωση

Αριθμός κατάστασης: (Matri Condition Number) Εντοπισμός της ύπαρξης του φαινομένου της «κακής κατάστασης» Κριτήριο για την ακρίβεια της λύσης μέγεθος του A 1 ;

Norm Συνάρτηση που ποσοτικοποιεί το μέγεθος μια μαθηματικής οντότητας (πχ αριθμός, διάνυσμα, πίνακας, πολυώνυμο) 3 1 2

μέγιστο άθροισμα απόλυτων τιμών στοιχείων στήλης μέγιστο άθροισμα απόλυτων στοιχείων γραμμής ευκλείδεια Norm Frobenius ma eigenvalue του πίνακα Α Τ Α

Παράδειγμα:33 πίνακας Hilbert Υπολογίστε τον αριθμό κατάστασης με μετά από κλιμάκωση κλιμάκωση: [>>inv(h) ]

Ανάλυση με το γινόμενο LU (LU decomposition): Μέθοδος: 1 Ιδανική για προβλήματα που δίνουν συστήματα με ένα πίνακα Α και πολλά δεξιά μέλη b1, b2, 2 Βασική ιδέα: Να εκφραστεί ο Α ως LU L= l 11 l 22 l ij l nn κάτω τριγωνικός U= u 11 u 22 u ij u άνω τριγωνικός 3 Ορίζουμε: l 11,l 22, l 33, = 1 Μέθοδος Doolittle ή u 11, u 22, u 33, = 1 Μέθοδος Crout [τα υπόλοιπα στοιχεία μπορούν να προσδιοριστούν μονοσήμαντα] 4 Μέθοδος Doolittle: a) απαλοιφή Gauss καταλήγει στον πίνακα U b) οι πολλαπλασιαστές κατά την εμπρός απαλοιφή αντιστοιχούν στα στοιχεία του L c) L, U μπορούν να υπολογιστούν αν det[a] 0 d) κόστος O(n 3 /3) LU decomposition + O (n 2 ) για αντικατάσταση nn

Παράδειγμα:LU decomposition Μέθοδος Doolittle εφαρμόζουμε απαλοιφή Gauss στους συντελεστές του πίνακα Α μόνο (όχι στις σταθερές): η απαλοιφή Gauss (κόστος Ο(n 3 /3) δεν χρειάζεται να επαναληφθεί αν έχουμε πολλαπλά δεξιά μέλη 4 1 +3 2 3 =1 2 1 4 2 +5 3 =2 1 +2 2 +6 3 =3 4 1 +3 2 3 = 0 5/2 2 +9/2 3 = 0+5/4 2 +25/4 3 = 4 1 +3 2 3 = 0 5/2 2 +9/2 3 = 0+0+34/4 3 = A = L*U

Λύση του συστήματος για κάθε διάνυσμα b σταθερών : A =b ==> (L U) = b ==> L (U ) = b d Βήμα 1 ο : επίλυση L d =b με προς τα εμπρός αντικατάσταση Βήμα 2 ο : επίλυση U = d με προς τα πίσω αντικατάσταση

Επαναληπτικές μέθοδοι: 1 Διαρκής βελτίωση αρχικής προσεγγιστικής λύσης 2 Επίτευξη λύσης με ικανοποιητική ακρίβεια 3 Σφάλματα αποκοπής και στρογγυλοποίησης 4 Προτιμούνται για μεγάλα συστήματα που είναι διαγωνίως κυρίαρχα Μέθοδος Jacobi Έστω σύστημα n γραμμικών αλγεβρικών εξισώσεων με n αγνώστους: a 11 1 + a 12 2 + + a 1n n = b 1 a 21 1 + a 22 2 + + a 2n n = b 2 ȧ n1 1 + a m2 2 + + a nn n = b n Βήμα 1 ο : Επίλυση κάθε εξίσωσης ως προς έναν άγνωστο (a ii 0): ) 1 = (b 1 a 12 2 a 1n n )/a 11 2 = (b 2 a 21 1 a 2n n )/ a 22

Βήμα 2 ο : Αρχική εκτίμηση αγνώστων i : (0) = [0, 0, 0] Βήμα 3 ο : Αντικατάσταση στο δεξιό σκέλος των εξισώσεων του Βήματος 1: (1) a (0) (0) 1 = (b 1 12 2 a 1n n )/a 11 (1) 2 = (b 2 a 21 (0) 1 a 2n (0) n )/ a 22 Βήμα 4 ο : κ επαναλήψεις 1 (κ+1) = (b 1 a 12 2 (κ) a 1n n (κ) )/a 11 2 (κ+1) = (b 2 a 21 1 (κ) a 2n n (κ) )/ a 22 Τερματισμός: οι επαναλήψεις τερματίζονται όταν κάποιο κριτήριο τερματισμού ικανοποιηθεί Κριτήριο σύγκλισης: η μέθοδος συγκλίνει όταν ο Α είναι διαγωνίως κυρίαρχος

Μέθοδος Gauss Seidel Γρηγορότερη σύγκλιση μπορεί συνήθως να επιτευχθεί αν κατά τις επαναλήψεις χρησιμοποιούνται οι πιο πρόσφατες εκτιμήσεις των αγνώστων i υπολογιστικό κόστος O(n 2 ) [k n 2 ; όπου k ο αριθμός επαναλήψεων] Παράδειγμα: 4 1 + 2 + 3 =7 1 = 1/4 2 1/4 3 +7/4 4 1 8 2 + 3 = 21 2 =21/8+1/2 1 +1/8 3 2 1 + 2 +5 3 =15 3 =3+2/5 1 1/5 2 Αρχική εκτίμηση: 1 =0, 2 =0, 3 =0 1 η επανάληψη: Jacobi (1) 1 = 1/4 0 1/4 0+7/4 = 175 (1) 2 =21/8+1/2 0+1/8 0 = 2625 (1) =3+2/5 0 1/5 0 = 3 Gauss Seidel (1) 1 = 1/4 0 1/4 0+7/4 = 175 (1) 2 =21/8+1/2 175 +1/8 0 = 35 (1) =3+2/5 175 1/5 35 = 3 3 ( ) =3+2/5 0 1/5 0 = 3 3 (1) =3+2/5 175 1/5 35 = 3

2 η επανάληψη: Jacobi (2) 1 = 1/4 2625 1/4 3+7/4 = 1656 (2) 2 =21/8+1/2 175 +1/8 3 = 3875 (2) 3 =3+2/5 175 1/5 2625 = 3175 Gauss Seidel (2) 1 = 1/4 35 1/4 3+7/4 = 1875 (2) 2 =21/8+1/2 1875 +1/8 3 = 3937 (2) 3 =3+2/5 1875 1/5 3937 = 29625 έλεγχος για τερματισμό Jacobi (2) 1 (1) 1 = 1656 175 (2) 2 (1) 2 =3875 35 (2) 3 (1) 3 = 3175 3 ǁ (k+1) (k) ǁ 2 =04244 ǁ (k+1) (k) ǁ =0375 ή (2) = [1656, 3875, 3,175] T r (2) = b A (2) = [10752 02002 14376] T ǁr (2) ǁ 2 =1806 ǁr (2) ǁ =14376

Γενίκευση επαναληπτικών μεθόδων Το σύστημα Α (nn) * (n1) = b (n1) επιλύεται με επαναληπτικό σχήμα της μορφής: M (k+1) = N ( k) +b Ο πίνακας Α (nn) μπορεί να εκφραστεί ως το άθροισμα 3 πινάκων (άνω, κάτω τριγωνικού και διαγώνιου) παράδειγμα Α = L + D +U 1 3 4 0 0 0 1 0 0 0 3 4 Α= L= 3 0 0 3 2 4 D= U= 0 0 4 0 2 0 2 1 0 2 1 2 0 0 2 0 0 0 Α = b == > (L+D+U) =b == > D (k+1) = (L+U) (k) + b Jacobi (L+D) (k+1) = U (k) + b Gauss Seidel ένα γενικό κριτήριο σύγκλισης ǁΜ 1 Νǁ < 1