Επιστηµονικός Υπολογισµός ΙΙ

Σχετικά έγγραφα
Επιστηµονικός Υπολογισµός ΙΙ

Κεφάλαιο 7 Ορθογώνιοι Πίνακες

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

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

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ = U1SV 1 V 2 A = [U1 U2] S = diag(σ 1,...,σ r ) R r r. και σ 1 σ r > 0. Ειδικότερα,

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 4 : Ορθογωνιότητα. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

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

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

Επιστηµονικός Υπολογισµός ΙΙ

Παναγιώτης Ψαρράκος Αν. Καθηγητής

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ (2 Ιουλίου 2009) 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)

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

Γραµµικη Αλγεβρα ΙΙ Ασκησεις - Φυλλαδιο 10

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ ΙΙ (ΠΕΡΙΤΤΟΙ) Ασκησεις - Φυλλαδιο 5

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

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

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 7 : Γραµµικοί Μετασχηµατισµοί. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

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

1 ιαδικασία διαγωνιοποίησης

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 1 : Εισαγωγή στη Γραµµική Αλγεβρα. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 5 : Ορίζουσες. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Αριθµητική Ανάλυση 1 εκεµβρίου / 43

Επιστηµονικός Υπολογισµός ΙΙ

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

Διανύσµατα στο επίπεδο

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

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

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ Ι (ΑΡΤΙΟΙ) Ασκησεις - Φυλλαδιο 4

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ ΙΙ (ΑΡΤΙΟΙ) Ασκησεις - Φυλλαδιο 4

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ ΙΙ (ΑΡΤΙΟΙ) Ασκησεις - Φυλλαδιο 5

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ ΙΙ (ΠΕΡΙΤΤΟΙ) Ασκησεις - Φυλλαδιο 5

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ ΙΙ (ΠΕΡΙΤΤΟΙ) Προτεινοµενες Ασκησεις - Φυλλαδιο 5

Επιστηµονικός Υπολογισµός Ι

Επιστηµονικός Υπολογισµός Ι Ενότητα 5 - Επίλυση Γραµµικών Συστηµάτων. Ευστράτιος Γαλλόπουλος

[ ] και το διάνυσµα των συντελεστών:

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

============================================================== Σχηµατίζουµε τον πίνακα µε στήλες τα διανύσµατα v1,v2,v3,u1,u2:

Επιστηµονικός Υπολογισµός Ι

Τι είναι βαθμωτό μέγεθος? Ένα μέγεθος που περιγράφεται μόνο με έναν αριθμό (π.χ. πίεση)

Επίλυση Γραµµικών Συστηµάτων

Παναγιώτης Ψαρράκος Αν. Καθηγητής

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ ΙΙ (ΠΕΡΙΤΤΟΙ) Προτεινοµενες Ασκησεις - Φυλλαδιο 6

Τμήμα Μηχανικών Οικονομίας και Διοίκησης Εφαρμοσμένη Θεωρία Πινάκων. Quiz 3. Σύντομες Λύσεις

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

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

Λύσεις και Υποδείξεις Επιλεγµένων Ασκήσεων

Στοχαστικά Σήµατα και Εφαρµογές

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ Ι (ΠΕΡΙΤΤΟΙ) Ασκησεις - Φυλλαδιο 4

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

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

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

ΚΕΦ.6:ΤΕΤΡΑΓΩΝΙΚΕΣ ΜΟΡΦΕΣ. ΣΥΜΜΕΤΡΙΚΟΙ ΠΙΝΑΚΕΣ

ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ I (24 Φεβρ. 2008, 12-3µµ) ΕΠΙΛΕΓΜΕΝΕΣ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ ΙΙ (ΑΡΤΙΟΙ) Προτεινοµενες Ασκησεις - Φυλλαδιο 6

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ

Επιστηµονικός Υπολογισµός Ι

ΜΕΜ251 Αριθμητική Ανάλυση

Κλασικη ιαφορικη Γεωµετρια

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΕΠΙΛΥΣΗ ΓΡΑΜΜΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ. nn n n

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

Ασκήσεις6 Το σύνηθες εσωτερικό γινόμενο στο

Μάθηµα 3 ο ΠΑΡΑΓΟΝΤΟΠΟΙΗΣΗ LU και QR

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΤΕΤΡΑΓΩΝΑ

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

Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

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

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

Στοχαστικά Σήματα και Τηλεπικοινωνιές

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ ΙΙ (ΑΡΤΙΟΙ) Ασκησεις - Φυλλαδιο 4

Παναγιώτης Ψαρράκος Αν. Καθηγητής

Matlab κι εφαρμογές στην Γραμμική Άλγεβρα

Εισαγωγή στον Προγραµµατισµό. Ανάλυση (ή Επιστηµονικοί8 Υπολογισµοί)

ΜΕΜ251 Αριθμητική Ανάλυση

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ ( , c Ε. Γαλλόπουλος) ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ. Ε. Γαλλόπουλος. ΤΜΗΥΠ Πανεπιστήµιο Πατρών. ιαφάνειες διαλέξεων 28/2/12

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ

1 Αριθµητική Γραµµική Άλγεβρα: Ασκήσεις

5.1 Ιδιοτιµές και Ιδιοδιανύσµατα

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ Ι (ΑΡΤΙΟΙ) Λυσεις Ασκησεων - Φυλλαδιο 4

x 2 = x x 2 2. x 2 = u 2 + x 2 3 Χρησιµοποιώντας το συµβολισµό του ανάστροφου, αυτό γράφεται x 2 = x T x. = x T x.


Επιστηµονικοί Υπολογισµοί(Αριθµητική Γραµµική Αλγεβρα)

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ Ι (ΠΕΡΙΤΤΟΙ) Λυσεις Ασκησεων - Φυλλαδιο 4

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΜΕ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΗ ΒΙΟΙΑΤΡΙΚΗ

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

Θέµατα ( ικαιολογείστε πλήρως όλες τις απαντήσεις σας)

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΜΙΑ ΜΙΚΡΗ ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ...xi

Ομογενή Συστήματα Ορισμός Ενα σύστημα λέγεται ομογενές αν όλοι οι σταθεροί όροι του (δηλαδή οι όροι του δεξιού μέλους του συστήματος) είναι μηδέν.

Επιστηµονικός Υπολογισµός ΙΙ

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΑΛΓΕΒΡΑ ΠΙΝΑΚΩΝ. (ii) Αν ο Β m+1, με m N, αντιστρέφεται, τότε και ο Β αντιστρέφεται

Κεφάλαιο 7 Βάσεις και ιάσταση

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

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ. ΕΝΟΤΗΤΑ: Άλγεβρα των Πινάκων (2) ΔΙΔΑΣΚΩΝ: Βλάμος Παναγιώτης ΙΟΝΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ

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

Transcript:

Επιστηµονικός Υπολογισµός ΙΙ Ε. Γαλλόπουλος 1 1 Τµήµα Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Πληροφορικής Πολυτεχνική Σχολή, Πανεπιστήµιο Πατρών 27/3/13

Μέθοδος ελαχίστου υπολοίπου (Minimum residual) Θέµα: Αν το µητρώο δεν είναι ΣΘΟ µπορεί σε κάποιο ϐήµα της Απότοµης Καθόδου να ισχύσει (r (j),ar (j) ) = 0 και να υπάρξει αστοχία. Ιδέα Πλαγιογώνια προβολή, µε L := AK, οπότε αν όπως πριν K = span{r (j) } τότε x (j+1) := x (j) + r (j) ((r (j) ) A Ar (j) ) 1 (r (j) ) A r (j) j = 0;r (0) = b Ax (0) ; while r (j) > ε do j = j + 1; α j = (Ar (j 1),r (j 1) )/(Ar (j 1),Ar (j 1) ) x (j) = x (j 1) + α j r (j 1) r (j) = r (j 1) α j p (j 1) end while := x (j) + r (j) (Ar (j),ar (j) ) 1 (Ar (j),r (j) )

Ιδιότητες Κάθε ϐήµα ελαχιστοποιεί το f(x) = b Ax (j) 2 2 στην διεύθυνση r. Παρατηρήσεις Αν το A + A είναι ΣΘΟ τότε ο αλγόριθµος συγκλίνει για κάθε αρχικό x (0). Τότε ) 1/2 r j+1 2 (1 µ2 r (j) 2 σ 2 όπου µ = λ min (A + A )/2 και σ = A 2.

Μέθοδοι υποχώρου Krylov Μέθοδοι υποχώρου Krylov Οι µέθοδοι προβολής κατασκευάζουν προσεγγίσεις x (m) στην λύση x ώστε x (m) x (0) +K m, r (m) := b Ax (m) L m. Στις µεθόδους του υποχώρου Krylov, εν συντοµία µεθόδους Krylov, λαµβάνουµε ως K m := K m (A,r (0) ) := span[r (0),Ar (0),...,A m 1 r (0) ]. Χρησιµοποιπούνται οι εξής επιλογές: L m = K m L m = AK m L m = K m (A,r (0) ).

Μέθοδοι υποχώρου Krylov Συζήτηση Εξ ορισµού x (m) = x (0) m 1 + j=0 γ j A j r (0) = x (0) + q m 1 (A) }{{} r (0), πολυώνυµο επανάληψης q m 1 Π m 1 και r (m) = r (0) m 1 A j=0 γ j A j r (0) = (I Aq m 1 (A))r (0) = p m (A) }{{} r (0), πολυώνυµο υπολοίπου p m Π m Στο ϐήµα m, K m = K m, και η διάσταση µεγαλώνει σε κάθε ϐήµα. Οι µέθοδοι Krylov λέγονται και πολυωνυµικές µέθοδοι.

Μέθοδοι υποχώρου Krylov Θεωρία A R n n, x R n, και «µονικό» πολυώνυµο p Π m ώστε p(a)x = 0 και αν q(a)x = 0 και deg(q) < deg(p) τότε q 0. Τότε το p αποκαλείται το ελάχιστο πολυώνυµο του A ως προς x και ο ϐαθµός του p αποκαλείται ϐαθµός (ή ϐαθµίδα) του x ως προς A. Από το ϑεώρηµα Caley-Hamilton έπεται ότι deg(p) n.

Μέθοδοι υποχώρου Krylov Αναλλοίωτοι υποχώροι Ορισµός Ενας διανυσµατικός υποχώρος S καλείται αναλλοίωτος ως προς A αν AS S. Για κάθε m n, dimk m 1 dimk m n. Επίσης, αν ο ϐαθµός του x ως προς A είναι M n, τότε για κάθε m n dimk m dimk M n. Αν ο ϐαθµός του x ως προς A είναι m τότε ο υποχώρος K m είναι αναλλοίωτος ως προς A, K m = K m για m m, και για κάθε d, dimk d = min(d,m,n). Ο χώρος Krylov K m (A,r) έχει διάσταση m αν και µόνο αν ο ϐαθµός του r ως προς A είναι µεγαλύτερος ή ίσος του m.

Μέθοδοι υποχώρου Krylov «Τµήµα» τελεστή Εστω διανυσµατικός υποχώρος X και η ΟΚ ϐάση V m και Q m := V m V m ο αντίστοιχος τελεστής ορθογώνιας προβολής επί του K m. Τότε V m V m AV my K m. Ο τελεστής Q m AQ m R m m αποκαλείται τµήµα του A στον K m. ( ρα επί του K m, το αποτέλεσµα ανήκει στο K m ) Παραδείγµατα Εστω A m := V m V m AV mv m. Εστω X = span{e 1,...,e m }. Τότε V m = {e 1,...,e m } και Q m = I m και A m = V m AV m = [a 1:m,1,...,a 1:m,m ]. Εστω X = span{x} και x x = 1. Τότε A m = x Ax.

Μέθοδοι υποχώρου Krylov Αναγωγή µητρώων µορφή Hessenberg Βασικό αποτέλεσµα Για κάθε A R n n υπάρχει ορθογώνιο Q τέτοιο ώστε Q AQ = H όπου H άνω Hessenberg. Το Q µπορεί να υπολογιστεί ως γινόµενο ανακλαστών Householder 1 Στη MATLAB Συνάρτηση hess.m Παρατηρήσεις Ο αλγόριθµος ορίζεται αναδροµικά για τετράγωνο µητρώο A R n n : Εστω ότι πριν την έναρξη του ϐήµατος k = 1,...,n 2 έχουµε ήδη µηδενίσει τα στοιχεία στις ϑέσεις (3 : n,1), (4 : n,2),..., (k + 1 : n,k 1) του A µε ανακλαστές H 1,...,H k 1 : A (k) = H k 1 H 1 AH 1 H k 1. Τότε στο ϐήµα k υπολογίζεται ο ανακλαστής H k που µηδενίζει τα στοιχεία (k + 2 : n,k) του A (k). Παρατηρούµε πως ο πολλαπλασιασµός (H k A (k) )H k αφήνει τα ήδη εισαχθέντα µηδενικά ανέπαφα, οπότε στο τέλος ϑα έχουµε πως A (n 2) είναι άνω Hessenberg. Κόστος Ω 10 3 n3 : 1 ϐλ. σύγγραµµα Laub ή σηµειώσεις Επιστηµονικού Υπολογισµού Ι.

Θέµατα: Θεώρηµα διαδικασίες για την ορθογωνιοποίηση και κανονικοποίηση υλοποιήσεις εφαρµογές: προβλήµατα ελαχίστων τετραγώνων, προβλήµατα ιδιοτιµών, διάσπαση σε ιδιάζουσες τιµές. Εστω A R m n και m n, τότε υπάρχει µητρείο Q R m n µε ορθοκανονικές (ΟΚ) στήλες και άνω τριγωνικό µητρείο R R n n ώστε A = QR. Αν m = n τότε το Q είναι µοναδιαίο αν το A είναι αντιστρέψιµο ή έχει γραµµικά ανεξάρτητες στήλες τότε το R µπορεί να επιλεχθεί έτσι ώστε να έχει ϑετικά στοιχεία στη διαγώνιο. Με αυτή την κανονικοποίηση τα Q,R ειναι µοναδικά. Οι στήλες του Q είναι ΟΚ ϐάση για το χώρο span{a 1,...,a n }. Η παραπάνω παραγοντοποίηση πολλές ϕορές αναφέρεται και σαν οικονοµική QR.

διανυσµάτων σε ακυ ιερεύνηση Θέµα ίδονται x,y R n και Ϲητούµε z span{x,y} ώστε z x = 0. Η λύση δίνεται από το Υλοποίηση: z = y P x y, P x := xx x x z = SAXPY {}}{ y x y x y }{{} x 2 DOTS Προβληµατισµός Ακόµα και αν (z, y) = Ο(ε), δεν είναι εξασφαλισµένο ότι cos(z,y) ϑα είναι µικρό, δηλ. ότι το z είναι κάθετο στο y. Προσέξτε (z,y) z y = cos(z,y) εποµένως υπάρχει κίνδυνος όταν το προκύπτον z 0. Π.χ. καταστροφική απαλοιφή αν x y και αυτά είναι αποτελέσµατα άλλων υπολογισµών.

Κλασικός αλγόριθµος Gram-Schmidt Παρουσιάζεται σε όλα τα ϐιβλία ΓΑ. Η γενική ιδέα είναι η εξής. Εστω ότι έχουµε ήδη κατασκευάσει ορθοκανονική ϐάση q 1,,q k 1 για τις στήλες a 1,...,a k 1 και ότι ϑέλουµε να υπολογίσουµε το ΟΚ διάνυσµα q k που είναι ορθογώνιο ως προς τα q 1,...,q k 1. Παρατηρούµε ότι αν από το a k αφαιρέσουµε την ορθ. προβολή του επί τα q 1,..,q k 1 τότε έχουµε διάνυσµα παράλληλο στο Ϲητούµενο q k. Αν P j = q jq j q j q j }{{} =1 συµβολίζει τον τελεστή προβολής επί του q j τότε q k = a k P 1 a k P 2 a 2 P k 1 a k q k = q k q k 2

ιαδοχικά, εφόσον ρ jj = q j 2 έχουµε q 1 = a 1 /ρ 11, q 2 = (I P 1 )a 2 /ρ 22... =... q k = (I P k 1 P 2 P 1 )a k /ρ kk... =... q n = (I P 1 P n 1 )a n /ρ nn Εκ κατασκευής τα διανύσµατα q k είναι µεταξύ τους ορθοκανονικά. Σηµειώστε ότι δεν ϑέλουµε να υπολογίσουµε τους τελεστές I P j αλλά µόνον την εφαρµογή τους σε διάνυσµα DOT {}}{ (I P j )x = x q j ( q j x ) }{{} SAXPY

function[q, R] = CGS(A) ρ 11 = a 1 q 1 = a 1 /ρ 11 for k = 1 : n for i = 1 : k 1 ρ ik = q i a k end q k = a k k 1 i=1 ρ ikq i ρ kk = q k q k = q k /ρ kk end

Παρατηρήσεις κόστος T CGS αρθ = 2mn2 + O(mn). Κάθε ϐήµα υλοποιείται µε πράξεις DOT και saxpy. Σε κάθε ϐήµα του εξωτερικού ϐρόγχου ο CGS υπολογίζει ϐαθµωτούς ρ jk (1 j k) ώστε a k = k j=1 ρ jk q k, 1 k n, δηλαδή την παραγοντοποίηση A = Q 1 R 1 όπου Q 1 = [q 1,...,q n ] και ρ 11...... ρ 1n. R 1 = 0.................... 0...... ρ nn

Αριθµητικά προβλήµατα κλασικής GS Ο αλγόριθµος χρησιµοποιεί τον τελεστή (I P 1 ) επί του a 1, µετά υπολογίζει τον P 2 ϐασιζόµενος στο αποτέλεσµα της εφαρµογής του (I P 1 )a 1, µετά υπολογίζει το (I P 1 P 2 )a 2 κ.ό.κ. Οι πράξεις ενέχουν κινδύνους (π.χ. το q 2 µπορεί να µην είναι ακριβώς ορθογώνιο στο q 1, το q 3 µπορεί να είναι λιγότερο ορθογώνιο στα q 2,q 1, κλπ.) Παράδειγµα 1 1 1 δ 0 0 A = 0 δ 0 0 0 δ όπου δ 2 < ε, ώστε fl(1 + δ 2 ) = 1. Π.χ. σε α.κ.υ. IEEE 64-bits, δ = 7.4506e 009.

Q CGS = 1 0 0 δ 0 2 2 0 0 2 2 2 0 2 2 2 Τότε q 2 q 3 0.5, άρα η ορθογωνιότητα έχει χαθεί, ενώ I Q CGS Q CGS F 0.7071 Αξίζει να σηµειωθεί ότι αν και οι στήλες του Q CGS δεν είναι ΟΚ, ισχύει ότι A Q CGS R CGS 0.

Εναλλακτική υλοποίηση Θα αποφύγουµε πράξεις του τύπου I P 1 P 2...; q k q j = 0 P k P j = 0 Αρα ισχύουν σχέσεις του τύπου I P 1 P 2 = (I P 2 )(I P 1 ) Τροποποιούµε τον αλγόριθµο να υπολογίζει µε τη σειρά q 1 = a 1 /ρ 11, =... q k = (I P k 1 ) (I P 2 )(I P 1 )a k /ρ kk... =... q n = (I P n 1 ) (I P 1 )a n /ρ nn Μαθηµατικά ισοδύναµη µε την κλασική Gram-Schmidt.

Τροποποιηµένος αλγόριθµος Gram-Schmidt function [Q,R] = MGS(A) Q = A for k = 1 : n ρ kk = q k q k = q k /ρ kk for j = k + 1 : n ρ kj = q k q j q j = q j ρ kj q k end end Τα εσωτερικά γινόµενα χρησιµοποιούν τις εν µέρει ορθοκανονικοποιηµένες στήλες και τα ρ ij υπολογίζονται ανά γραµµή. Το αριθµ. κόστος είναι ίδιο µε της κλασικής GS. Συγκριτικά µε την κλασική GS στο µοντέλο α.κ.υ., τα q j πληρούν καλύτερα τη (ϑεωρητική) ορθογωνιότητα. Στο προηγούµενο παράδειγµα: I Q MGS Q MGS F 6 10 9,

ιαδικασία Arnoldi Εξετάζουµε εξειδίκευση της διαδικασίας Gram-Schmidt για την κατασκευή ΟΚ ϐάσης για ένα χώρο Krylov. Φέρει το όνοµα Arnoldi (Ιταλός ερευνητής που την ανέδειξε.) Η διαδικασία Arnoldi παράγει ορθογώνιες ϐάσεις για τις οποίες, τα µητρώα V AV ή W AV που εµφανίζονται στις µεθόδους προβολής ϑα είναι Hessenberg ή και τριδιαγώνια.

Κατασκευή ΟΚ ϐάσεων για χώρους Krylov (Gram-Schmidt) Arnoldi CGS-Arnoldi v 1 := v/ v 2 for j = 1,...,m h ij = (Av j,v i ), i = 1,...,j w j := Av j j i=1 h ijv i h j+1,j = w j 2 if h j+1,j = 0 Stop v j+1 = w j /h j+1,j end Ο αλγόριθµος σταµατά µετά από m ϐήµατα ή όταν w j = 0. Ανά ϐήµα: 1 MV, 1 DOT και πράξεις SAXPY. Συνολικό κόστος Ω m j=1 [1 MV + (j + 1) DOT + j SAXPY]

Αν εφαρµόσουµε τον παραπάνω αλγόριθµο, για i > j ϑα ισχύει ότι v i {v 1,...,A j 1 v 1 } = span{v 1,...,v j }. Τότε V AV = v 1 Av 1 v 1 Av 2 v 1 Av m v 2 Av 1 v 2 Av...... 2 v 3 Av... 1...... v m Av 1... v m Av m 2 v m Av m 1 v m Av m Επειδή το V είναι ϐάση για το χώρο Krylov K m (A,v 1 ) τότε Av 1 K 2 (A,v 1 ) = span{v 1,Av 1 } = span{v 1,v 2 }, εποµένως αν i 3 τότε v i Av 1 = 0. Για τον ίδιο λόγο, Av 2 K 3 (A,v 1 ) = span{v 1,Av 1,A 2 v 1 } = span{v 1,v 2,v 3 }, εποµένως αν i 4 τότε v i Av 2 = 0 Γενικά ισχύει ότι αν i j + 2 τότε v i Av j = 0. Εποµένως, το µητρώο V AV είναι άνω Hessenberg.

Περίπτωση πλαγιογώνιας προβολής W AV = w 1 Av 1 w 1 Av 2 w 1 Av m w 2 Av 1 w 2 Av...... 2 w 3 Av... 1...... w m Av 1... w m Av m 2 w m Av m 1 w m Av m Το W είναι ΟΚ ϐάση για το AK = span{av 1,...,Av m }