Επίλυση Γραµµικών Συστηµάτων

Σχετικά έγγραφα
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΕΠΙΛΥΣΗ ΓΡΑΜΜΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ. nn n n

Ηλεκτρονικοί Υπολογιστές ΙΙ : Εισαγωγή στην Αριθµητική Ανάλυση

5.1 Ιδιοτιµές και Ιδιοδιανύσµατα

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

ΓΡΑΜΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΞΙΣΩΣΕΩΝ

Κ. Ι. ΠΑΠΑΧΡΗΣΤΟΥ. Τοµέας Φυσικών Επιστηµών Σχολή Ναυτικών οκίµων ΟΡΙΖΟΥΣΕΣ. Ιδιότητες & Εφαρµογές

Αριθµητική Ανάλυση 1 εκεµβρίου / 43

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

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

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

Γραµµική Άλγεβρα. Εισαγωγικά. Μέθοδος Απαλοιφής του Gauss

Αριθμητική Ανάλυση και Εφαρμογές

Διανύσµατα στο επίπεδο

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ (ΗΥ-119)

Εισαγωγή στον Προγραµµατισµό. Ανάλυση (ή Επιστηµονικοί8 Υπολογισµοί)

ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥ ΩΝ ΣΤΗΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ Ι (ΘΕ ΠΛΗ 12) ΕΡΓΑΣΙΑ 1 η Ηµεροµηνία Αποστολής στον Φοιτητή: 12 Οκτωβρίου 2007

Ορίζουσες ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ. Προηγείται της Γραµµικής Αλγεβρας. Εχει ενδιαφέρουσα γεωµετρική ερµηνεία. ΛΥ.

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥ ΩΝ ΣΤΗΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ Ι (ΘΕ ΠΛΗ 12)

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

Γραµµικη Αλγεβρα Ι Επιλυση Επιλεγµενων Ασκησεων Φυλλαδιου 3

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

ιδάσκοντες :Τµήµα Α ( Αρτιοι) : Καθηγητής Ν. Μισυρλής,Τµήµα Β (Περιττοί) : Αριθµητική Επίκ.

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

Επίκουρος Καθηγητής Παν/µίου Ιωαννίνων. Μαθηµατικά Ι Ακαδ. Έτος /58

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙ ΕΥΤΙΚΟ Ι ΡΥΜΑ ΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑ ΑΣ

Λύσεις και Υποδείξεις Επιλεγµένων Ασκήσεων

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ (2 Ιουλίου 2009) ΕΠΙΛΕΓΜΕΝΕΣ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ

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

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)

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

Επιστηµονικοί Υπολογισµοί(Αριθµητική Γραµµική Αλγεβρα)

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 6 : Ιδιοτιµές & Ιδιοδιανύσµατα. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

ΘΕΜΑΤΑ ΕΞΕΤΑΣΗΣ ΚΑΙ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟ ΟΣ:

ΛΥΣΕΙΣ 6 ης ΕΡΓΑΣΙΑΣ - ΠΛΗ 12,

5269: Υπολογιστικές Μέθοδοι για Μηχανικούς Συστήματα Γραμμικών Αλγεβρικών Εξισώσεων

Κεφάλαιο 3β. Ελεύθερα Πρότυπα (µέρος β)

5269: Υπολογιστικές Μέθοδοι για Μηχανικούς Συστήματα Γραμμικών Αλγεβρικών Εξισώσεων

ΓΡΑΜΜΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ ΙΙ (ΠΕΡΙΤΤΟΙ) Ασκησεις - Φυλλαδιο 9 Επαναληπτικες Ασκησεις

4.2 Μέθοδος Απαλοιφής του Gauss

Γραµµικη Αλγεβρα ΙΙ Ασκησεις - Φυλλαδιο 10

Αριθµητική Ανάλυση. Ενότητα 3 Αριθµητικές Μέθοδοι για την επίλυση Γραµµικών Συστηµάτων. Ν. Μ. Μισυρλής. Τµήµα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών,

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ

Κεφάλαιο 9 Ιδιοτιµές και Ιδιοδιανύσµατα

Αριθµητική Ανάλυση. 27 Οκτωβρίου Αριθµητική Ανάλυση 27 Οκτωβρίου / 72

Κεφάλαιο 6 Ιδιοτιµές και Ιδιοδιανύσµατα

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΟΡΙΖΟΥΣΕΣ

1 Αριθµητική Γραµµική Άλγεβρα: Ασκήσεις

7 ΑΛΓΕΒΡΑ ΜΗΤΡΩΝ. 7.2 ΜΗΤΡΕΣ ΕΙΔΙΚΗΣ ΜΟΡΦΗΣ (Ι)

Άσκηση 1. i) ============================================================== Α n ( 3 n 1 ) A ) 5 4. Α n 1 2 ( n n 2.

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 6 : Ιδιοτιµές & Ιδιοδιανύσµατα. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟ ΟΙ ΕΥΡΕΣΗΣ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΩΝ Ι ΙΟΤΙΜΩΝ. 4.1 Γραµµικοί µετασχηµατισµοί-ιδιοτιµές-ιδιοδιανύσµατα

β) Με τη βοήθεια του αποτελέσµατος της απαλοιφής υπολογίστε την ορίζουσα του πίνακα του συστήµατος. x x = x

Στοχαστικά Σήµατα και Εφαρµογές

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

Αριθµητική Ανάλυση. Ενότητα 4 Αριθµητικός Υπολογισµός Ιδιοτιµών και Ιδιοδιανυσµάτων. Ν. Μ. Μισυρλής. Τµήµα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών,

ΟΣ GAUSS) Α.6 ΣΧΕΤΙΚΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...

Αριθµητική Ολοκλήρωση

Θέµατα ( ικαιολογείστε πλήρως όλες τις απαντήσεις σας)

b. Για κάθε θετικό ακέραιο m και για κάθε A. , υπάρχουν άπειρα το πλήθος πολυώνυμα ( x) [ x] m και ( A) 0.

ΒΟΗΘΗΤΙΚΕΣ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΣΤΑ ΓΕΝΙΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ

Εισαγωγή στον Προγραµµατισµό. Ανάλυση (ή Επιστηµονικοί8 Υπολογισµοί)

ΜΕΜ251 Αριθμητική Ανάλυση

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

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

Παραδείγματα Απαλοιφή Gauss Απαλοιφή Gauss-Jordan Παραγοντοποίηση LU, LDU

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ Ι (ΠΕΡΙΤΤΟΙ) Λυσεις Ασκησεων - Φυλλαδιο 2

{ } ΠΛΗ 12: ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΓΙΑ ΤΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ Ι 2 η ΓΡΑΠΤΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. Απαντήσεις. 1. (15 µονάδες)

Παναγιώτης Ψαρράκος Αν. Καθηγητής

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

[ ] και το διάνυσµα των συντελεστών:

ΜΕΜ251 Αριθμητική Ανάλυση

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

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ Ι (ΑΡΤΙΟΙ) Λυσεις Ασκησεων - Φυλλαδιο 2

Kεφάλαιο 4. Συστήµατα διαφορικών εξισώσεων.

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΓΡΑΜΜΙΚΗΣ ΑΛΓΕΒΡΑΣ. ρ Χρήστου Νικολαϊδη

Κεφ. 2: Επίλυση συστημάτων εξισώσεων. 2.1 Επίλυση εξισώσεων

Μαθηµατικό Παράρτηµα 2 Εξισώσεις Διαφορών

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

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

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

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 3 : ιανυσµατικοί Χώροι και Υπόχωροι. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ Ι (ΠΕΡΙΤΤΟΙ) Λυσεις Ασκησεων - Φυλλαδιο 3

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

Ασκήσεις3 Διαγωνίσιμες Γραμμικές Απεικονίσεις

3. Μια πρώτη προσέγγιση στην επίλυση των κανονικών μορφών Δ. Ε.

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

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ Τελική Εξέταση 19/6/2018 Διδάσκων: Ι. Λυχναρόπουλος

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

Παρεµβολή και Προσέγγιση Συναρτήσεων

Άσκηση 1 (α) ============================================================== Έχουµε L = π, εποµένως η σειρά Fourier είναι: 1 2 a. cos. a n. b n.

Οι πράξεις που χρειάζονται για την επίλυση αυτών των προβληµάτων (αφού είναι απλές) µπορούν να τεθούν σε µια σειρά και πάρουν µια αλγοριθµική µορφή.

Γραμμική Άλγεβρα Ι,

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

Kεφάλαιο 4. Συστήµατα διαφορικών εξισώσεων

Ευκλείδειοι Χώροι. Ορίζουµε ως R n, όπου n N, το σύνολο όλων διατεταµένων n -άδων πραγµατικών αριθµών ( x

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ ΙΙ (ΠΕΡΙΤΤΟΙ) Ασκησεις - Φυλλαδιο 5

Transcript:

Κεφάλαιο 3 Επίλυση Γραµµικών Συστηµάτων 31 Εισαγωγή Αριθµητική λύση γενικών γραµµικών συστηµάτων n n A n n x n 1 b n 1, όπου a 11 a 12 a 1n a 21 a 22 a 2n A [a i j, x a n1 a n2 a nn x n, b b 1 b 2 b n Θεώρηµα : Τα παρακάτω είναι ισοδύναµα : 1 Για κάθε δεύτερο µέλος b, το σύστηµα Ax b έχει µοναδική λύση 2 Ο πίνακας A έχει αντίστροφο (A 1 ) 3 Η ορίζουσα του A, det A είναι µη µηδενική 4 Το οµογενές σύστηµα Ax 0 έχει µοναδική λύση τη x 0 5 Οι στήλες ή οι γραµµές του A είναι γραµµικά ανεξάρτητες Τις ϐασικές µεθόδους επίλυσης γραµµικών συστηµάτων τις διακρίνουµε σε απ ευθείας και σε επαναληπτικές (iterative) 32 Μέθοδος Cramer Η µέθοδος Cramer προσδιορίζει τη λύση του γραµµικού συστήµατος ως εξής x j det B j det A, j 1, 2,, n, όπου ο πίνακας B j προκύπτει από τον A αν αντικαταστήσουµε την j-στήλη του µε το διάνυσµα b Η λύση µε αυτή τη µέθοδο απαιτεί (n + 1)! πολλαπλασιασµούς και γι αυτό δεν εφαρµόζεται στην πράξη για n 4 17

18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΕΠ ΙΛΥΣΗ ΓΡΑΜΜΙΚ ΩΝ ΣΥΣΤΗΜΆΤΩΝ Παρατήρηση : Ο υπολογισµός της ορίζουσας µπορεί να γίνει µε τις µεθόδους που παρουσιάζονται στην 351 33 Απ ευθείας απαλοιφή Gauss Θεώρηµα : Αν στο σύστηµα γραµµικών εξισώσεων Ax b 1 πολλαπλασιάσουµε µια εξίσωση µε ένα µη µηδενικό αριθµό, 2 ανταλλάξουµε τη σειρά δύο εξισώσεων, 3 αντικαταστήσουµε την εξίσωση j από το άθροισµα των εξισώσεων i και j, (και ϕυσικά από οποιοδήποτε γραµµικό συνδυασµό τους) τότε το νέο σύστηµα A x b έχει την ίδια λύση µε το αρχικό Επιπλέον, det A 0 det A 0 Η απαλοιφή Gauss γίνεται σε δύο στάδια Τριγωνοποίηση Χρήση των παραπάνω ιδιοτήτων και µετατροπή του συστήµατος Ax b σε άνω τριγωνική µορφή A x b όπου a i j 0, i > j ηλαδή a 11 a 12 a 1n 0 a 22 a 2n 0 0 a nn x n b 1 b 2 b n (31) Η διαδικασία λέγεται τριγωνοποίηση και γίνεται ως εξής : 1 Αν a 11 0 εναλλάσσουµε τις γραµµές του A ώστε a 11 0 Αν όλα τα a i1 0 τότε det A 0 και το σύστηµα έχει άπειρες (b 0) ή καµία λύση (b 0) 2 Καθώς a 11 0, πολλαπλασιάζουµε την πρώτη εξίσωση µε a 21 /a 11 και την προσθέτουµε στη δεύτερη Η δεύτερη εξίσωση αποτελείται πλέον από τα στοιχεία a 2 j, b 2 όπου a 21 0, a 2 j a a 21 2 j a 1 j, b 2 a b a 21 2 b 1 11 a 11 Επαναλαµβάνουµε για όλες τις εξισώσεις ώστε να µηδενίσουµε την πρώτη στήλη από το δεύτερο στοιχείο και κάτω ηλαδή, πολλαπλασιάζουµε την πρώτη γραµµή µε a j1 /a 11 και την προσθέτουµε στην j εξίσωση Η διαδικασία αυτή µετατρέπει το σύστηµα σε νέο, A x b µε την ακόλουθη µορφή a 11 a 12 a 1n 0 a 22 a 2n 0 a n2 a nn x n Κατόπιν, επαναλαµβάνουµε την ίδια διαδικασία στον πίνακα A 11 (ο A χωρίς την πρώτη γραµµή και την πρώτη στήλη) µε δεξί µέλος το [b 2,, b n T Η κατάληξη αυτής της διαδικασίας ϕέρνει το αρχικό σύστηµα στη µορφή (31) b 1 b 2 b n

33 ΑΠ ΕΥΘΕ ΙΑΣ ΑΠΑΛΟΙΦ Η GAUSS 19 Οπισθοδρόµηση Η εύρεση της λύσης γίνεται µε τη µέθοδο οπισθοδρόµησης, από την τελευταία προς την πρώτη εξίσωση Εχουµε x n b n a nn, x k 1 a b k kk jk+1 a k j x j, k n 1, n 2,, 1 Παρατήρηση : Ολα τα a j j 0, διαφορετικά στο αρχικό σύστηµα ϑα είχαµε det A 0 Παράδειγµα : Το σύστηµα 0 1 2 5 3 1 2 2 1 x 3 3 4 6 επιλύεται ως εξής : τα διαδοχικά στάδια τριγωνοποίησης δίνουν 1 Καθώς a 11 0 και a 21 0 εναλλάσσουµε τις δύο πρώτες εξισώσεις 5 3 1 0 1 2 2 2 1 x 3 Η δεύτερη εξίσωση έχει ήδη a 21 0, όπως επιδιώκουµε Πολλαπλασιάζουµε την πρώτη εξίσωση µε 2/5 και την προσθέτουµε στην τρίτη 5 3 1 0 1 2 0 32 06 x 3 Πολλαπλασιάζουµε τη δεύτερη γραµµή µε 32 και την προσθέτουµε στην τρίτη 4 3 6 4 3 44 5 3 1 0 1 2 0 0 7 x 3 4 3 14 Με οπισθοδρόµηση έχουµε x 3 2, 1, 1 Αλγόριθµος : Τριγωνοποίηση Για k 1, 2,, n 1: 1 Αν a kk 0, ϐρίσκουµε το πρώτο µη µηδενικό a ik, i k + 1,, n Αν δεν υπάρχει κανένα τέτοιο στοιχείο, το σύστηµα δεν έχει µοναδική λύση Εναλλάσσουµε την k µε την i εξίσωση (πίνακες A και b) 2 Για κάθε i k + 1,, n,

20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΕΠ ΙΛΥΣΗ ΓΡΑΜΜΙΚ ΩΝ ΣΥΣΤΗΜΆΤΩΝ Θέτουµε Οπισθοδρόµηση Για k n, n 1,, 1, ϑέτουµε x k 1 a kk b k Αν k + 1 > n το άθροισµα δεν υπολογίζεται λ a ik, a kk a i j a i j + λa k j, j k,, n b j b j + λb k, j k,, n jk+1 a k j x j Παρατηρήσεις : Πολλαπλά δεξιά µέλη, b b n m Οταν ϑέλουµε να επιλύσουµε πολλές ϕορές το σύστηµα µε ίδιο πίνακα A αλλά m διαφορετικά δεξιά µέλη b, είναι προτιµότερο να εκτελέσουµε συγχρόνως την διαδικασία για όλα τα b, δηλαδή, να σχηµατίσουµε ένα πίνακα b µε m στήλες και να επεκτείνουµε τις πράξεις που υπαγορεύει ο αλγόριθµος για το b σε όλες τις στήλες Απαιτούµενες πράξεις Αν µετρήσουµε πολλαπλασιασµούς και διαιρέσεις (που είναι πιο χρονοβόρες από τις προσθέσεις και αφαιρέσεις) η µέθοδος Gauss χρειάζεται n 1 (n k)2 + 2(n k) k1 } {{ }} {{ } + (n k + 1) n3 3 + n2 n 3 για a i j για b k1 i πράξεις, πολύ λιγότερες από τις (n + 1)! που χρειάζεται η µέθοδος Cramer Απαιτήσεις µνήµης Ο γενικός πίνακας A χρειάζεται n 2 ϑέσεις µνήµης για πραγµατικούς ή µιγαδικούς (ό,τι τύπου είναι τα στοιχεία του) Επιπλέον n ϑέσεις απαιτεί ο b Μερική οδήγηση κατά γραµµές Για να ελαχιστοποιήσουµε τα αριθµητικά σφάλµατα κατά την τριγωνοποίηση, είναι σηµαντικό να επιλέξουµε το διαγώνιο στοιχείο a kk (που διαιρεί την k γραµµή) ώστε να είναι αρκετά µεγάλο κατ απόλυτη τιµή Μπορούµε να κάνουµε κατάλληλη εναλλαγή γραµµών (της k µε κάποια από τις επόµενες, µε i > k) ώστε να µεταφερθεί στη διαγώνιο το µεγαλύτερο κατ απόλυτη τιµή στοιχείο από τα a ik, i k Παράδειγµα : Το σύστηµα [ 00003 1566 03454 2436 [ x1 [ 1569 1018 έχει λύση 10, 1 Οµως, αν υποθέσουµε Η/Υ µε αναπαράσταση αριθµών ±0 f 1 f 2 f n 10 ± s, s 10, n 5, η απλή απαλοιφή Gauss δίνει προσεγγιστικά µετά την τριγωνοποίηση [ 03 10 3 01566 10 1 [ [ x1 01569 10 0 01804 10 1 1 01805 10 0

34 ΕΥΣΤΆΘΕΙΑ ΓΡΑΜΜΙΚ ΩΝ ΣΥΣΤΗΜΆΤΩΝ 21 και τότε, 10006, 6868 Η οδήγηση µε εναλλαγή γραµµών είναι απαραίτητη για να ϐρούµε τα ακριβή, Ετσι, αν εναλλάξουµε την πρώτη µε τη δεύτερη εξίσωση, αν, δηλαδή, ξεκινήσουµε µε το σύστηµα [ 03454 2436 00003 1566 [ x1 [ 1018 1569 η τριγωνοποίηση δίνει [ 03454 10 0 02436 10 1 0 01568 10 1 [ x1 [ 01018 10 1 01568 10 1 Συνεπώς, 1, 10 Ολική οδήγηση (κατά γραµµές και στήλες) Φέρνουµε στο a kk µε κατάλληλη εναλλαγή γραµ- µών και στηλών το µεγαλύτερο κατ απόλυτη τιµή στοιχείο όλου του πίνακα Προσέξτε ότι η εναλλαγή στηλών απαιτεί και εναλλαγή στοιχείων στο διάνυσµα x 34 Ευστάθεια γραµµικών συστηµάτων Αν έχουµε µικρές µεταβολές στα A, b πόσο αλλάζει η λύση ; Παράδειγµα : [ 1 3 1 301 [ x1 [ 4 401 έχει λύση 1 Το ελαφρά διαφορετικό σύστηµα [ 1 3 1 299 [ x1 [ 4 402 έχει λύση 10, 2, τελείως διαφορετική Ορισµός : Το σύστηµα Ax b χαρακτηρίζεται ως ασταθές αν έχουµε µεγάλη απόκλιση στη λύση για µικρές αλλαγές στα A, b Κριτήριο ευστάθειας (well-conditioned system) είναι ο δείκτης κατάστασης µ µ A A 1 του πίνακα A ως προς τη νόρµα Πχ µία νόρµα είναι η νόρµα αθροίσµατος γραµµών Αν µ 1 το σύστηµα είναι ασταθές A max 1 i n a i j j1

22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΕΠ ΙΛΥΣΗ ΓΡΑΜΜΙΚ ΩΝ ΣΥΣΤΗΜΆΤΩΝ 35 Εφαρµογές Η διαδικασία τριγωνοποίησης µε τη µέθοδο απαλοιφής Gauss που περιγράφηκε παραπάνω ϐρίσκει εφαρµογή και σε άλλα προβλήµατα γραµµικής άλγεβρας, πέρα από την επίλυση γραµ- µικών συστηµάτων 351 Υπολογισµός Ορίζουσας Η πρόσθεση σε µία γραµµή ενός (τετραγωνικού) πίνακα του πολλαπλάσιου µίας άλλης είναι διαδικασία που διατηρεί την ορίζουσα Ο άνω τριγωνικός πίνακας που παράγεται µε την απαλοιφή Gauss όπως περιγράφηκε, αν η τριγωνοποίηση περιοριστεί µόνο σε τέτοιες µεταβολές, έχει πολύ εύκολο υπολογισµό της ορίζουσας του και, εποµένως, και της ορίζουσας του αρχικού Η εφαρµογή της σχέσης (32), µε ανάπτυξη κατά την πρώτη στήλη, δίνει ως ορίζουσα το γινόµενο των διαγωνίων στοιχείων του : n det A a ii i1 Προσέξτε ότι τα στοιχεία a ii είναι τα διαγώνια στοιχεία του τριγωνικού πίνακα Επίσης, σε περίπτωση που εφαρµόσουµε οδήγηση (δηλ εναλλαγή γραµµών ή στηλών) πρέπει να λάβουµε υπόψη ότι κάθε τέτοια µεταβολή αλλάζει το πρόσηµο της ορίζουσας Εποµένως, η ορίζουσα det A µπορεί να υπολογιστεί ως το γινόµενο των στοιχείων της διαγωνίου του τελικού πίνακα (µετά την άνω ή κάτω τριγωνοποίηση), A, επί ( 1) s όπου s είναι ο συνολικός αριθµός εναλλαγών γραµµών (ή στηλών) που έγιναν κατά την απαλοιφή Εναλλακτικά, ο υπολογισµός της ορίζουσας µπορεί να γίνει αναδροµικά από τη σχέση det A i1 ( 1) i+ j a i j det A i j, (32) όπου A i j είναι ο πίνακας διαστάσεων (n 1) (n 1) που προκύπτει από τον A διαγράφοντας τη γραµµή i και τη στήλη j 352 Μέθοδος Gauss Jordan για τον υπολογισµό του αντίστροφου πίνακα Μια µέθοδος επίλυσης γραµµικών συστηµάτων, εναλλακτική της τριγωνοποίησης και οπισθοδρόµησης είναι η εξής : Αφού ϕέρουµε τον πίνακα σε άνω τριγωνική µορφή µε την απαλοιφή Gauss επαναλαµβάνουµε τη διαδικασία από την τελευταία γραµµή προς την πρώτη ώστε να µηδενίσουµε και τα στοιχεία πάνω από τη διαγώνιο Εποµένως, µε αυτήν τη διαδικασία, ένα σύστηµα της µορφής Ax B γίνεται A x B, όπου ο A είναι διαγώνιος πίνακας, ο οποίος µε πολύ εύκολη τροποποίηση µπορεί να γίνει ο µοναδιαίος, Ix B Η µέθοδος αυτή παράγει απ ευθείας τη λύση του συστήµατος, απαιτεί όµως περισσότερες πράξεις από την τριγωνοποίηση σε συνδυασµό µε την οπισθοδρόµηση, και γι αυτό δε χρησιµοποιείται συνήθως Οµως, προσέξτε ότι οποιαδήποτε µέθοδος επίλυσης παράγει τελικά το x A 1 B

35 ΕΦΑΡΜΟΓ ΕΣ 23 Συνεπώς, αν επιλέξουµε για πίνακα B διαδοχικά τα n διανύσµατα (1, 0,, 0) T, (0, 1,, 0) T,, (0, 0,, 1) T ϑα έχουµε ως λύσεις τις αντίστοιχες στήλες του πίνακα A 1 Η µέθοδος αυτή για την εύρεση του αντιστρόφου ενός πίνακα A n n είναι η µέθοδος Gauss Jordan και απαιτεί την επίλυση n γραµµικών συστηµάτων Ax B µε διαφορετικά δεξιά µέλη Κατά τη διαδικασία της τριγωνοποίησης, οποιαδήποτε µεταβολή των συστηµάτων καθορίζεται αποκλειστικά από τα στοιχεία του A και, συνεπώς, µπορούν να επιλυθούν ταυτόχρονα Εποµένως, για την εύρεση του αντιστρόφου ενός τετραγωνικού πίνακα A ξεκινούµε από τον πίνακα a 11 a 12 a 1n 1 0 0 a 21 a 22 a 2n 0 1 0 a n1 a n2 a nn 0 0 1 και εκτελούµε πλήρη τριγωνοποίηση στο αριστερό τµήµα του ώστε να παράγουµε τον πίνακα 1 0 0 ã 11 ã 12 ã 1n 0 1 0 ã 21 ã 22 ã 2n 0 0 1 ã n1 ã n2 ã nn Το δεξί τµήµα αυτού αποτελεί τον αντίστροφο πίνακα, A 1 353 Εύρεση ιδιοτιµών και ιδιοδιανυσµάτων Ας ϑυµίσουµε τον ορισµό των εννοιών του ιδιοδιανύσµατος και της ιδιοτιµής ενός πίνακα A Αν υπάρχει ένας αριθµός λ, εν γένει µιγαδικός, και ένα διάνυσµα (πίνακας στήλη) x, διάφορο του (0, 0,, 0) για τα οποία ισχύει Ax λx, (33) τότε το x λέγεται ιδιοδιάνυσµα του A ενώ το λ είναι η αντίστοιχη ιδιοτιµή Παρατηρήστε ότι το x δεν είναι µοναδικό καθώς οποιοδήποτε πολλαπλάσιό του αποτελεί επίσης λύση του συστήµατος (33) για την ίδια ιδιοτιµή Η (33) µπορεί να γραφεί ως εξής Ax λx Ax λix (A λi)x 0 Το σύστηµα έχει µοναδική λύση, την x (0, 0,, 0) T, αν και µόνο αν ο πίνακας A λi αντιστρέφεται Καθώς δεν ενδιαφερόµαστε για τη µηδενική λύση, οδηγούµαστε στην απαίτηση να ισχύει det(a λi) 0 Παρατηρήστε ότι η έκφραση det(a λi) είναι ένα πολυώνυµο n ϐαθµού ως προς λ Η εύρεση των n ϱιζών του µπορεί να γίνει αναλυτικά (για n < 5) ή, γενικότερα, αριθµητικά µε τις µεθόδους που περιγράψαµε στο Κεφάλαιο 2 Εάν επιθυµούµε, µπορούµε να υπολογίσουµε τους συντελεστές του πολυωνύµου : ( 1) n (λ n p n 1 λ n 1 p 1 λ p 0 ) 0 Η µέθοδος Fadeev Leverrier είναι µια αποτελεσµατική διαδικασία για τον υπολογισµό των συντελεστών p i του πολυωνύµου Η µέθοδος χρησιµοποιεί µια ακολουθία πινάκων {B} για τον υπολογισµό των συντελεστών p i

24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΕΠ ΙΛΥΣΗ ΓΡΑΜΜΙΚ ΩΝ ΣΥΣΤΗΜΆΤΩΝ Αλγόριθµος Fadeev Leverrier: 1 Θέτουµε k 1, B n k A, p n k TrB n k 1 2 Υπολογίζουµε τον πίνακα B n (k+1) A (B n k p n k I) και τον συντελεστή p n k 1 k TrB n k 3 Θέτουµε k k + 1 Αν ισχύει k < n συνεχίζουµε µε το ϐήµα 2 Ενα επιπλέον πλεονέκτηµα της µεθόδου είναι ότι ο αντίστροφος πίνακας µπορεί κατόπιν να υπολογιστεί πολύ εύκολα ως : A 1 1 p 0 (B 1 p 1 I) Αφού προσδιοριστούν οι ιδιοτιµές, η επίλυση του γραµµικού συστήµατος (A λi)x 0 µπορεί να γίνει µε τις µεθόδους που παρουσιάστηκαν Προσέξτε ότι το σύστηµα έχει άπειρες λύσεις, οπότε τουλάχιστον µία από τις συνιστώσες του διανύσµατος x είναι ελεύθερη Αυτό προκύπτει καθώς κατά την επίλυση του συστήµατος καταλήγουµε σε εξίσωση της µορφής 0x k 0 για κάποιο k Τότε, η συγκεκριµένη συνιστώσα µπορεί να τεθεί αυθαίρετα 1 εν ϑα αναφερθούµε στην περίπτωση που εµφανιστεί και δεύτερη ελεύθερη συνιστώσα 36 Ασκήσεις 1 Υλοποιήστε σε πρόγραµµα FORTRAN το πρώτο στάδιο (τριγωνοποίηση) της απαλοιφής Gauss Θεωρείστε ότι τα διαγώνια στοιχεία του πίνακα είναι µη µηδενικά Υπόδειξη : ηµιουργήστε ένα πίνακα 4 4 µε τυχαία στοιχεία για να ελέγξετε το πρόγραµµά σας 2 Συµπληρώστε το πρόγραµµα της προηγούµενης άσκησης µε το δεύτερο στάδιο (οπισθοδρόµηση) της απαλοιφής Gauss 3 Να γράψετε συνάρτηση της FORTRAN που να υπολογίζει την ορίζουσα ενός πίνακα Θα δέχεται ως ορίσµατα τον πίνακα και, αν σας χρειάζεται, την τάξη του και ϑα επιστρέφει την ορίζουσα Μπορείτε να εφαρµόσετε την απαλοιφή Gauss για να ϕέρετε τον πίνακα σε τριγωνική µορφή Η διαδικασία αυτή διατηρεί την ορίζουσα, η οποία υπολογίζεται εύκολα από το γινόµενο των διαγώνιων στοιχείων του τριγωνικού πίνακα Χρησιµοποιήστε τη για να υπολογίσετε την ορίζουσα του 21 39 03 41 43 13 08 15 10 28 43 81 24 61 11 125 4 Υλοποιήστε σε πρόγραµµα FORTRAN τη µέθοδο Cramer 1 Το Tr συµβολίζει το ίχνος του πίνακα (το άθροισµα των στοιχείων της διαγωνίου)

36 ΑΣΚΗΣΕΙΣ 25 5 Υλοποιήστε σε υπορουτίνα FORTRAN τον αλγόριθµο αντιστροφής πίνακα που περιγράφηκε Να τη χρησιµοποιήσετε για να ϐρείτε τον αντίστροφο του 21 39 03 41 43 13 08 15 10 28 43 81 24 61 11 125 6 Να γράψετε πρόγραµµα FORTRAN που να υλοποιεί τον αλγόριθµο εύρεσης ιδιοτιµών ενός τετραγωνικού πίνακα Να ϐρείτε µία ιδιοτιµή του πίνακα 21 39 03 41 43 13 08 15 10 28 43 81 24 61 11 125 7 Ενα σύστηµα n γραµµικών εξισώσεων, a 11 + a 12 + + a 1n x n b 1 a 21 + a 22 + + a 2n x n b 2 a n1 + a n2 + + a nn x n b n για το οποίο ισχύει ότι a ii > j1, j i a i j, i 1,, n, µπορεί να επιλυθεί µε την ακόλουθη µέθοδο : Φέρνουµε το σύστηµα στη µορφή x i 1 i 1 a ii b i a i j x j j1 a i j x j, i 1,, n ji+1 Εχοντας µια οποιαδήποτε αρχική προσέγγιση για τα x i, µπορούµε να παράγουµε µε τη ϐοήθεια του παραπάνω τύπου µια νέα, καλύτερη προσέγγιση Η µέθοδος έχει δύο παραλλαγές : Gauss Jacobi Σε αυτήν την παραλλαγή, οι παλαιές τιµές για τα x i, x (k) i, χρησιµοποιούνται για να υπολογιστούν οι νέες, x (k+1) i : x (k+1) i 1 i 1 a ii b i Ο υπολογισµός του x (k+1) i j1 a i j x (k) j a i j x (k), i 1,, n ji+1 χρησιµοποιεί τις τιµές x (k) j για j < i, και j > i j

26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΕΠ ΙΛΥΣΗ ΓΡΑΜΜΙΚ ΩΝ ΣΥΣΤΗΜΆΤΩΝ Gauss Seidel Στη δεύτερη παραλλαγή, οι νέες τιµές των x i, x (k+1) i, χρησιµοποιούνται στον τύπο αµέσως µόλις υπολογιστούν : x (k+1) i 1 i 1 a ii b i a i j x (k+1) j a i j x (k) j, i 1,, n j1 ji+1 Ο υπολογισµός του x (k+1) i j < i χρειάζεται τις τιµές x (k) j για j > i και τις τιµές x (k+1) j για Να γράψετε δύο υπορουτίνες Fortran, µε ονόµατα JACOBI, SEIDEL που να υλοποιούν τους αντίστοιχους αλγορίθµους Να τις χρησιµοποιήσετε για την εύρεση της λύσης του συστήµατος Ax B όπου A 121 39 03 41 43 113 08 15 10 28 143 81 24 61 11 125, x x 3 x 4, B Να χρησιµοποιήσετε το ακόλουθο κριτήριο τερµατισµού των επαναλήψεων : κάθε στοιχείο του διανύσµατος Ax B να είναι κατ απόλυτη τιµή µικρότερο του 10 7 12 23 34 45