Μάθημα Επιλογής 8 ου εξαμήνου

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

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

5269: Υπολογιστικές Μέθοδοι για Μηχανικούς Συστήματα Γραμμικών Αλγεβρικών Εξισώσεων

5269: Υπολογιστικές Μέθοδοι για Μηχανικούς Συστήματα Γραμμικών Αλγεβρικών Εξισώσεων

Υπολογιστικές Μέθοδοι Ανάλυσης και Σχεδιασμού

Μάθημα Επιλογής 8 ου εξαμήνου

Διάλεξη 4: Τεχνικές επίλυσης μη-γραμμικών συστημάτων

Μάθημα Επιλογής 8 ου εξαμήνου

Μάθημα Επιλογής 8 ου εξαμήνου

Μάθημα Επιλογής 8 ου εξαμήνου

ΜΕΜ251 Αριθμητική Ανάλυση

Μάθημα Επιλογής 8 ου εξαμήνου

3. Γραμμικά Συστήματα

Υπολογιστικές Μέθοδοι Ανάλυσης και Σχεδιασμού

Μάθημα Επιλογής 8 ου εξαμήνου

Υπολογιστικές Μέθοδοι Ανάλυσης και Σχεδιασμού

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ

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

Διάλεξη 1: Βασικές Έννοιες

Παναγιώτης Ψαρράκος Αν. Καθηγητής

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΡΗΤΗΣ -ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ. Λύσεις των Θεμάτων της Εξέτασης Σεπτεμβρίου 2010 στο μάθημα: «Γραμμική Άλγεβρα» (ΗΥ119)

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

Αριθμητική Ανάλυση και Εφαρμογές

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

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

Επαναληπτικές μέθοδοι για την επίλυση γραμμικών συστημάτων. Μιχάλης Δρακόπουλος

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

Μάθημα Επιλογής 8 ου εξαμήνου

ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΜΑΖΑΣ

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

ΒΟΗΘΗΤΙΚΕΣ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΣΤΑ ΓΕΝΙΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ

Κεφ. 2: Επίλυση συστημάτων εξισώσεων. 2.1 Επίλυση εξισώσεων

Αριθµητική Ανάλυση. 27 Οκτωβρίου Αριθµητική Ανάλυση 27 Οκτωβρίου / 72

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ (ΗΥ-119)

Παραδείγματα Απαλοιφή Gauss Απαλοιφή Gauss Jordan

Ειδικά θέματα στην επίλυση

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ Εξέταση Σεπτεμβρίου Ι. Λυχναρόπουλος

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

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

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

Παραδείγματα Απαλοιφή Gauss Απαλοιφή Gauss-Jordan Παραγοντοποίηση LU, LDU

Υπολογιστικές Μέθοδοι Ανάλυσης και Σχεδιασμού

Παραδείγματα Ιδιοτιμές Ιδιοδιανύσματα

Διανύσµατα στο επίπεδο

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

Εισαγωγή στον Προγραµµατισµό. Ανάλυση (ή Επιστηµονικοί8 Υπολογισµοί)

ΜΕΜ251 Αριθμητική Ανάλυση

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

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΡΗΤΗΣ -ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ. Λύσεις των Θεμάτων της Εξέτασης Ιανουαρίου 2010 στο μάθημα: «Γραμμική Άλγεβρα» (ΗΥ119)

Επίλυση Γραµµικών Συστηµάτων

Ιδιοτιμές & Ιδιοδιανύσματα Επαναληπτικές Μέθοδοι

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

Περιεχόμενα. Πρόλογος 3

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

2x y = 1 x + y = 5. 2x y = 1. x + y = 5. 2x y = 1 4x + 2y = 0. 2x y = 1 4x + 2y = 2

Συνήθεις διαφορικές εξισώσεις προβλήματα οριακών τιμών

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΟΡΙΖΟΥΣΕΣ

Παρουσίαση 3ης Άσκησης

Στοχαστικά Σήματα και Τηλεπικοινωνιές

Μαθηματικά ΜΕΡΟΣ 5 ΓΡΑΜΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΞΙΣΩΣΕΩΝ ΜΕ ΠΙΝΑΚΕΣ

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

ΓΡΑΜΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΞΙΣΩΣΕΩΝ

Περί εξισώσεων με ένα άγνωστο

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

ΓΡΑΜΜΙΚΟΣ & ΔΙΚΤΥΑΚΟΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ

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

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

ΘΕΜΑΤΑ ΕΞΕΤΑΣΗΣ ΚΑΙ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟ ΟΣ:

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

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

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

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

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

Γεννήτριες Συναρτήσεις

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)

Γεννήτριες Συναρτήσεις

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ Εξέταση Σεπτεμβρίου Διδάσκων: Ι. Λυχναρόπουλος

Πρόλογος Εισαγωγή στη δεύτερη έκδοση Εισαγωγή... 11

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΕΠΙΛΥΣΗ ΓΡΑΜΜΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ. nn n n

Υπολογιστικές Μέθοδοι Ανάλυσης και Σχεδιασμού

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

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

Επιστηµονικοί Υπολογισµοί (Αρ. Γρ. Αλγεβρα)Επαναληπτικές µέθοδοι και 31 Μαρτίου Ηµι-Επαναληπτικές Μέθοδο / 17

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

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

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

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

Επιστηµονικοί Υπολογισµοί(Αριθµητική Γραµµική Αλγεβρα)

5. Επίλυση Γραμμικών Συστημάτων

Αριθμητική Ανάλυση και Εφαρμογές

Επίλυση ελλειπτικών διαφορικών εξισώσεων με πεπερασμένες διαφορές

Επιστηµονικός Υπολογισµός Ι

Μαθηματικά Διοικητικών & Οικονομικών Επιστημών

ΟΣ GAUSS) Α.6 ΣΧΕΤΙΚΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ

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

Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών

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

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

Transcript:

EΘNIKO ΜEΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΧΗΜΙΚΩΝΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΙΙ: Ανάλυσης, Σχεδιασμού & Ανάπτυξης Διεργασιών & Συστημάτων Διάλεξη 3: Βασικές τεχνικές επίλυσης γραμμικών συστημάτων Μάθημα Επιλογής 8 ου εξαμήνου Διδάσκων: Α. Κοκόσης Συνεργάτες: Α. Νικολακόπουλος, Θ.Χ. Ξενίδου

Επισκόπηση Τεχνικές επίλυσης γραμμικών συστημάτων Επισκόπηση Γενικευμένες μέθοδοι Επίλυση με αντιστροφή Gauss elimination LU decomposition Υπολογιστικές απαιτήσεις Εξειδικευμένες μέθοδοι Jacobi, Gauss Seidel, κλπ

1. Γενικευμένες μέθοδοι

Επίλυση με αντιστροφή Αντιπροσωπεύει απευθείας επίλυση, 1 Ax bxa b Ο υπολογισμός του Α 1 είναι γενικά επίπονος Ο Α 1 μπορεί να είναι ιδιάζων Στις περιπτώσεις όπου ο αριθμός κατάστασης (κλάσμα μεγαλύτερης ιδιοτιμής προς μικρότερη ιδιοτιμή) είναι μεγάλος, η σύγκλιση αποσταθεροποιείται στη διάρκεια των ενδιάμεσων επαναλήψεων (δλδ με διαφορετικά άb)

Μέθοδος Gauss Gauss (elimination): Ίσως η πιο καθιερωμένη και διαδομένη μέθοδος Βασική ιδέα: χρησιμοποιείται κάθε φορά μία εξίσωση στην απαλοιφή μιας μεταβλητής. Στο τέλος προκύπτει μία εξίσωση με έναν άγνωστο και επιλύει γυρίζοντας πίσω στους υπολογισμούς. A x b ' ' ' ' a a a x b 11 12 1n 1 1 a a a 11 12 1m x1 b11 ' ' a x b a x 21 2 2 21 2 b2 ' ' ' a a x n1 nn xn bn a a n1 nm n bn ' x n a x n1,x n2,...,x1 nn Τι γίνεται όμως όταν χρειάζονται οι λύσεις για πολλά b;

LU decomposition Βασική ιδέα: Ένας πίνακας A nxn τότε μπορεί να γραφεί σαν γινόμενο: A L U Επίλυση εξίσωσης L: κάτω τριγωνικός U: άνω τριγωνικός Ax LUx y Ly b Ux b b y Ly b Ux y (ευθεία αντικατάσταση) (πίσω αντικατάσταση) L 1 0 0 0 l 1 0 0 21 1 l l 1 n1 n2 U u u u 0 u 22 11 12 1n 0 0 u nn Η μέθοδος εξυπηρετεί πολύ όταν έχουμε διαφορετικά b ενώ το L και U παραμένουν ως έχουν.

LU decomposition (2) Ο Πίνακας U προκύπτει σαν αποτέλεσμα των υπολογισμών της απαλοιφής Gauss O Πίνακας L αντιπροσωπεύει ουσιαστικά τα υπολογιστικά βήματα απαλοιφής όρων στα ενδιάμεσα βήματα της Gauss Παράδειγμα 2 2 1 1 0 0 2 2 1 A 2 3 1 1 1 0 0 1 0 2 1 2 1 1 1 0 0 1

LU decomposition (3) Παρατηρήσεις Η κατασκευή των L και U στο LU decomposition μας διασφαλίζει την πληροφορία που απαιτείται για να αποτιμήσουμε αν ο Α είναι ιδιάζων (singular). Πιο συγκεκριμένα, στην κατασκευή του χρησιμοποιούμε (κλειστών συστημάτων): 1 2 n2,,,...,, 11 22 33 n1 n1 σαν παρονομαστές. Αν είναι όλοι 0 τότε ο Α δεν είναι ιδιάζων. Με LU μπορούμε να υπολογίσουμε παράλληλα ιδιοτιμές και ιδιοδιανύσματα λύνοντας Όπου, Ax e b i e 1,0,...,0,e 0,1,...,0 1 2 i

2. Υπολογιστικές απαιτήσεις

Βάση σύγκρισης Πίνακας A με διαστάσεις nxn. Μέτρο σύγκρισης: flops (floating point operations). Όλοι οι επεξεργαστές των υπολογιστές έχουν συγκεκριμένες δυνατότητες flops/sec Supercomputers: 50x10 12 flops/sec Προσωπικοί υπολογιστές: 10x10 9 flops/sec Γνωρίζοντας τις δυνατότητες του υπολογιστή μπορεί να ρζ ς ς η ς γ ήμ ρ υπολογίσει κανείς το χρόνο διεκπεραίωσης των υπολογισμών

Απαλοιφή Gauss Βήματα Βήματα απαλοιφής Υπολογισμός κάθε μεταβλητής Συνολικά (n φορές το άθροισμα των παραπάνω βημάτων)

Μέθοδος LU 1. Υπολογισμός LU 2. Ευθεία αντικατάσταση 3. Πίσω αντικατάσταση Συνολικά: n φορές το (2)+(3) + 1 φορά το (1)

Παράδειγμα Flops για n=10 Gauss: 4300 LU: 1475 Flops για n=100 Gauss: 343,300,000300 000 LU: 1,348,250

3. Εξειδικευμένες μέθοδοι

Εξειδικευμένες μέθοδοι (Jacobi, Gauss Seidel) Κίνητρο. Για ένα γραμμικό σύστημα, 1 Ax bxa b Ο υπολογισμός του Α 1 είναι επίπονος αλλά θα μπορούσε να απλουστευθεί τη δομή του συστήματος Βασική ιδέα Εκμεταλλευόμαστε τη δομή του πίνακα για να αποφύγουμε μια απευθείας λύση (αναλυτική λύση) Αντί μιας αναλυτικής λύσης, χρησιμοποιώντας ιδιότητες, επιδιώκουμε αριθμητική λύση (δλδ με επαναληπτικά βήματα ) Σε πολλές περιπτώσεις η σύγκλιση επιτυγχάνεται και αποδεικνύεται αυτό σε λιγότερα βήματα από εκείνα της αντιστροφής Εφαρμογές επεκτείνονται και όπου δεν ισχύουν αυστηρά οι συνθήκες (ουσιαστικά δοκιμάζοντας την τύχη μας )

Jacobi Βασική ιδέα Γράφουμε τον πίνακα Α A = D + R D είναι διαγώνιος. R ότι απομένει. Αντί να επιλύσουμε τώρα Επιλύουμε επαναληπτικά Αx= b = (D+R)= Dx + Rx x k+1 =D 1 (b R.x k ) η προϋπόθεση για σύγκλιση είναι να έχουμε ένα πίνακα A με διαγώνια υπεροχή (diagonal dominant), δηλαδή τα διαγώνια στοιχεία του να είναι μεγαλύτερα από το άθροισμα όλων των μη διαγώνιων

Βασική ιδέα Γράφουμε τον πίνακα Α Gauss-Seidel A = L+ U L, U: κάτω/άνω τριγωνικοί πίνακες. Αντί να επιλύσουμε τώρα Επιλύουμε επαναληπτικά Αx= b = (L+U)= Lx + Ux x k+1 =L 1 (b U.x k ) η προϋπόθεση για σύγκλιση είναι να έχουμε ένα πίνακα A με διαγώνια υπεροχή (diagonal dominant), δηλαδή τα διαγώνια στοιχεία του να είναι μεγαλύτερα από το άθροισμα όλων των μη διαγώνιων που να είναι συμμετρικός και θετικός