Noţiuni introductive

Σχετικά έγγραφα
I. Noţiuni introductive

Metode iterative pentru probleme neliniare - contractii

Metode de interpolare bazate pe diferenţe divizate

V.7. Condiţii necesare de optimalitate cazul funcţiilor diferenţiabile

Curs 10 Funcţii reale de mai multe variabile reale. Limite şi continuitate.

Functii definitie, proprietati, grafic, functii elementare A. Definitii, proprietatile functiilor X) functia f 1

Curs 4 Serii de numere reale

(a) se numeşte derivata parţială a funcţiei f în raport cu variabila x i în punctul a.

1.3. Erori în calculele numerice

III. Serii absolut convergente. Serii semiconvergente. ii) semiconvergentă dacă este convergentă iar seria modulelor divergentă.

Functii definitie, proprietati, grafic, functii elementare A. Definitii, proprietatile functiilor

Sisteme diferenţiale liniare de ordinul 1

Curs 1 Şiruri de numere reale

a n (ζ z 0 ) n. n=1 se numeste partea principala iar seria a n (z z 0 ) n se numeste partea

Seminariile Capitolul X. Integrale Curbilinii: Serii Laurent şi Teorema Reziduurilor

SERII NUMERICE. Definiţia 3.1. Fie (a n ) n n0 (n 0 IN) un şir de numere reale şi (s n ) n n0

5. FUNCŢII IMPLICITE. EXTREME CONDIŢIONATE.

Curs 14 Funcţii implicite. Facultatea de Hidrotehnică Universitatea Tehnică "Gh. Asachi"

Asupra unei inegalităţi date la barajul OBMJ 2006

Erori si incertitudini de măsurare. Modele matematice Instrument: proiectare, fabricaţie, Interacţiune măsurand instrument:

Conf.dr.ing. Gabriela Ciuprina

Metode Runge-Kutta. 18 ianuarie Probleme scalare, pas constant. Dorim să aproximăm soluţia problemei Cauchy

Seminar 5 Analiza stabilității sistemelor liniare

DISTANŢA DINTRE DOUĂ DREPTE NECOPLANARE

Planul determinat de normală şi un punct Ecuaţia generală Plane paralele Unghi diedru Planul determinat de 3 puncte necoliniare

Curs 2 Şiruri de numere reale

Integrala nedefinită (primitive)

Analiza în curent continuu a schemelor electronice Eugenie Posdărăscu - DCE SEM 1 electronica.geniu.ro

Laborator 6. Integrarea ecuaţiilor diferenţiale

Capitolul 4. Integrale improprii Integrale cu limite de integrare infinite

Subiecte Clasa a VII-a

MARCAREA REZISTOARELOR

8 Intervale de încredere

SEMINAR 14. Funcţii de mai multe variabile (continuare) ( = 1 z(x,y) x = 0. x = f. x + f. y = f. = x. = 1 y. y = x ( y = = 0

Subiecte Clasa a VIII-a

Examen AG. Student:... Grupa:... ianuarie 2011

Aplicaţii ale principiului I al termodinamicii la gazul ideal

6 n=1. cos 2n. 6 n=1. n=1. este CONV (fiind seria armonică pentru α = 6 > 1), rezultă

R R, f ( x) = x 7x+ 6. Determinați distanța dintre punctele de. B=, unde x și y sunt numere reale.

Teme de implementare in Matlab pentru Laboratorul de Metode Numerice

Functii Breviar teoretic 8 ianuarie ianuarie 2011

Conice. Lect. dr. Constantin-Cosmin Todea. U.T. Cluj-Napoca

COLEGIUL NATIONAL CONSTANTIN CARABELLA TARGOVISTE. CONCURSUL JUDETEAN DE MATEMATICA CEZAR IVANESCU Editia a VI-a 26 februarie 2005.

EDITURA PARALELA 45 MATEMATICĂ DE EXCELENŢĂ. Clasa a X-a Ediţia a II-a, revizuită. pentru concursuri, olimpiade şi centre de excelenţă

Sisteme liniare - metode directe


METODE NUMERICE: Laborator #5 Metode iterative pentru rezolvarea sistemelor: Jacobi, Gauss-Siedel, Suprarelaxare

ERORI ÎN CALCULUL NUMERIC

Orice izometrie f : (X, d 1 ) (Y, d 2 ) este un homeomorfism. (Y = f(x)).

TEMA 9: FUNCȚII DE MAI MULTE VARIABILE. Obiective:

2 Transformări liniare între spaţii finit dimensionale

RĂSPUNS Modulul de rezistenţă este o caracteristică geometrică a secţiunii transversale, scrisă faţă de una dintre axele de inerţie principale:,

III. Reprezentarea informaţiei în sistemele de calcul

5.1. Noţiuni introductive

Laborator 11. Mulţimi Julia. Temă

Criptosisteme cu cheie publică III

Ecuatii trigonometrice

Principiul Inductiei Matematice.

Esalonul Redus pe Linii (ERL). Subspatii.

METODE DE CALCUL NUMERIC MATRICEAL. ALGORITMI FUNDAMENTALI

Curs 2 DIODE. CIRCUITE DR

a. 11 % b. 12 % c. 13 % d. 14 %

z a + c 0 + c 1 (z a)

Ecuaţia generală Probleme de tangenţă Sfera prin 4 puncte necoplanare. Elipsoidul Hiperboloizi Paraboloizi Conul Cilindrul. 1 Sfera.

Rezolvarea ecuaţiilor şi sistemelor de ecuaţii diferenţiale ordinare. Cuprins. Prof.dr.ing. Gabriela Ciuprina

1.7. AMPLIFICATOARE DE PUTERE ÎN CLASA A ŞI AB

Progresii aritmetice si geometrice. Progresia aritmetica.

5.4. MULTIPLEXOARE A 0 A 1 A 2

Definiţia generală Cazul 1. Elipsa şi hiperbola Cercul Cazul 2. Parabola Reprezentari parametrice ale conicelor Tangente la conice


V O. = v I v stabilizator

Integrarea numerică. Prof.dr.ing. Gabriela Ciuprina. Universitatea "Politehnica" Bucureşti, Facultatea de Inginerie Electrică

* K. toate K. circuitului. portile. Considerând această sumă pentru toate rezistoarele 2. = sl I K I K. toate rez. Pentru o bobină: U * toate I K K 1

Erorile sunt omniprezente. Februarie 2010

CURS XI XII SINTEZĂ. 1 Algebra vectorială a vectorilor liberi

Spatii liniare. Exemple Subspaţiu liniar Acoperire (înfăşurătoare) liniară. Mulţime infinită liniar independentă

SEMINARUL 3. Cap. II Serii de numere reale. asociat seriei. (3n 5)(3n 2) + 1. (3n 2)(3n+1) (3n 2) (3n + 1) = a

Cursul Măsuri reale. D.Rusu, Teoria măsurii şi integrala Lebesgue 15

Proiectarea filtrelor prin metoda pierderilor de inserţie

Ecuatii exponentiale. Ecuatia ce contine variabila necunoscuta la exponentul puterii se numeste ecuatie exponentiala. a x = b, (1)

Analiza complexităţii algoritmilor

Fig Impedanţa condensatoarelor electrolitice SMD cu Al cu electrolit semiuscat în funcţie de frecvenţă [36].

Lucrarea de laborator nr. 2

III.2.2. Reprezentarea în virgulă mobilă

Problema a II - a (10 puncte) Diferite circuite electrice

Aparate de măsurat. Măsurări electronice Rezumatul cursului 2. MEE - prof. dr. ing. Ioan D. Oltean 1

Proiectarea Algoritmilor 2. Scheme de algoritmi Divide & Impera

Conice - Câteva proprietǎţi elementare

Statisticǎ - curs 3. 1 Seria de distribuţie a statisticilor de eşantioane 2. 2 Teorema limitǎ centralǎ 5. 3 O aplicaţie a teoremei limitǎ centralǎ 7

Examen AG. Student:... Grupa: ianuarie 2016

BARAJ DE JUNIORI,,Euclid Cipru, 28 mai 2012 (barajul 3)

Curs 9: METODE NUMERICE UTILIZATE ÎN SIMULAREA SISTEMELOR DINAMICE

1. PROPRIETĂȚILE FLUIDELOR

Componente şi Circuite Electronice Pasive. Laborator 3. Divizorul de tensiune. Divizorul de curent

riptografie şi Securitate

prin egalizarea histogramei

5.5. REZOLVAREA CIRCUITELOR CU TRANZISTOARE BIPOLARE

Analiza sistemelor liniare şi continue

Matrice. Determinanti. Sisteme liniare

CURS 11. Rădăcină unei ecuatii: Cum se defineste o rădăcină aproximativă?

Transcript:

Metode Numerice Noţiuni introductive Erori. Condiţionare numerică. Stabilitatea algoritmilor. Complexitatea algoritmilor. Metodele numerice reprezintă tehnici prin care problemele matematice sunt reformulate astfel încât să fie rezolvate numai prin operaţii aritmetice. Prin trecerea de la infinit la finit, diferenţial la algebric, neliniar la liniar problemele complicate sunt înlocuite de probleme mai simple care au aceeaşi sau aproape aceeaşi soluţie. Astfel soluţiile obţinute prin aplicarea metodelor numerice reprezintă doar aproximaţii ale soluţiilor problemelor originale, şi deci implică erori. Sursele erorilor şi clasificarea lor Se pot distinge trei tipuri de erori în cazul aplicării de metode numerice pentru rezolvarea unei probleme: Erori provenite din simplificarea modelului fizic, pentru a fi descris într-un model matematic; erori din măsurătorile iniţiale sau erori din calcule anterioare. Aceste tipuri de erori se numesc erori inerente. Erori datorate metodei utilizate-de exemplu, trunchierea unei serii infinite (mai precis aproximarea sumei unei serii printr-o sumă parţială), sau considerarea unui termen cu un rang suficient de mare pentru a aproxima limita unui şir. Aceste erori sunt numite erori de metodă sau erori de trunchiere. Erori datorate reprezentării datelor şi efectuării calculelor într-o aritmetică a virgulei mobile. Aceste erori se numesc erori de rotunjire. Erorile inerente sunt anterioare aplicării metodei numerice, iar erorile de trunchiere şi de rotunjire apar în timpul calculului numeric. Erori absolute şi erori relative Eroarea absolută = valoare aproximativă - valoare exactă 3

Mădălina Roxana Buneci eroare absolută Eroarea relativă = valoare exactă Din aceste definiţii se obţine: Valoare aproximativă = (valoare exactă )(1 + eroare relativă) Eroarea absolută nu ţine seama de ordinul de mărime al valorilor comparate. De exemplu, o eroare în centimetri este mai importantă dacă lungimea calculată este de 100 cm, decât dacă este de 100 km. De aceea, eroarea relativă se raportează la valoarea reală. Adesea eroarea relativă se exprimă în procente: eroare absolută. 100 % valoare exactă De obicei valoarea exactă nu este cunoscută. De aceea nici eroarea (absolută sau relativă) nu poate fi calculată, şi doar se estimează valorile limită ale acesteia. Se utilizează majoranţi pentru modulul erorii (sau norma erorii, dacă se lucrează într-un spaţiu normat). Tot datorită necunoaşterii valorii exacte, frecvent eroarea relativă se raportează la valoarea aproximativă. Erori ale datelor şi erori de calcul Considerăm următoarea problemă tipică: calculul valorii unei funcţii f : R R pentru un argument dat. Fie: x = valoarea de intrare exactă x* = valoare de intrare aproximativă f(x) = rezultatul dorit f* = funcţia aproximativă de calcul Eroarea totală este dată de: f*(x*) - f(x) = (f*(x*) - f(x*)) - (f(x*) - f(x)) Deci Eroare totală = eroare de calcul + eroare propagată a datelor, unde, Eroare de calcul = f*(x*) - f(x*) Eroare a datelor = x* - x. Algoritmul nu are nici un efect asupra erorii propagate a datelor. Erori de trunchiere şi erori de rotunjire Eroare de trunchiere = diferenţa dintre rezultatul exact (pentru datele de intrare curente) şi rezultatul furnizat de un algoritm dat utilizând aritmetica exactă. 4

Metode Numerice Eroare de rotunjire = diferenţa dintre rezultatul produs de un algoritm dat utilizând aritmetica exactă şi rezultatul produs de acelaşi algoritm utilizând o aritmetică cu precizie limitată (de exemplu aritmetica virgulei mobile). Eroarea de calcul este suma dintre eroarea de trunchiere şi eroarea de rotunjire, dar de obicei una dintre acestea predomină. Erori apriori şi erori aposteriori Să presupunem că dorim să calculăm y = f(x), unde f : R R, dar obţinem o valoare aproximativă y*. Eroare apriori = x = x* - x Eroare aposteriori = y = y* - y, unde f(x*) = y*. De exemplu, dacă aproximăm y prin y* = 1.4, eroarea aposteriori absolută este y = y* - y = 1.4-1.41421 0.0142 iar eroarea aposteriori relativă este aproximativ 1%. Pentru a calcula eroarea apriori, observăm că 1. 96 =1.4. Eroarea apriori absolută este x = x* - x = 1.96-2 0.04, iar eroarea apriori relativă este aproximativ 2%. Analiza erorilor apriori Ideea analizei erorilor din punct de vedere a erorilor apriori este următoarea: soluţia aproximativă este soluţia exactă a unei probleme modificate. Soluţia aproximativă se consideră "bună" dacă este soluţie exactă pentru o problemă cu datele "uşor" perturbate. Deseori eroarea apriori este mai uşor de estimat decât eroarea aposteriori. Condiţionarea numerică. Factor de condiţionare. Problema se numeşte bine condiţionată dacă variaţiile relative ale soluţiei au acelaşi ordin de mărime cu variaţiile relative ale datelor de intrare ce le cauzează. Problema este rău condiţionată dacă modificările relative care au loc în soluţiei pot fi mult mai mari decât cele ale datelor de intrare. Factorul de condiţionare se defineşte prin: 5

6 Mădălina Roxana Buneci variatia relativă a solutiei cond = variatia relativă a datelor de intrare Să revenim la calculul y = f(x), unde f : R R. Să presupunem că se obţine valoarea aproximativă y*. Fie x* cu proprietatea că f(x*) = y*. f ( x *) f ( x) y y Avem cond = =. x * x x x x Problema este rău condiţionată, dacă factorul de condiţionare cond >> 1. Factorul de condiţionare acţionează ca un "factor de amplificare" legând eroarea aposteriori de eroarea apriori: eroarea relativă aposteriori = cond eroarea relativă apriori De obicei factorul de condiţionare nu este cunoscut exact şi poate varia în funcţie de datele de intrare. De aceea se utilizează o estimaţie margine superioară pentru cond. Deci eroarea relativă aposteriori < cond eroarea relativă apriori. Considerăm un exemplu de estimare pentru factorul de condiţionare. Să presupunem că se evaluează funcţia f pentru data de intrare aproximativă x* = x + x în locul datei exacte de intrare x. Eroarea absolută aposteriori este f(x + x) - f(x) f ( x) x iar eroarea relativă aposteriori este f ( x + x) f ( x ) x Factorul de condiţionare este f ( x) x x f ( x) cond =. x x Stabilitatea algoritmilor Noţiunea referitoare la algoritmi analoagă condiţionării numerice a problemelor este stabilitatea. Un algoritm de rezolvare a unei probleme este stabil dacă rezultatul produs este soluţia exactă a aceleaşi probleme cu datele "uşor" perturbate.

Metode Numerice În cazul algoritmilor stabili efectul erorii de calcul nu este mai puternic decât efectul erorii (mici) a datelor de intrare. Un algoritm instabil poate amplifica mult perturbaţiile date de erorile de calcul. Acurateţea metodelor Acurateţea se referă la apropierea soluţiei calculate de soluţia exactă a problemei. Stabilitatea algoritmului nu garantează acurateţea. Aceasta depinde în egală măsură de buna condiţionare a problemei şi de stabilitatea algoritmului. Inacurateţea poate rezulta din aplicarea unui algoritm stabil unei probleme rău condiţionate, ca şi din aplicarea unui algoritm instabil unei probleme bine condiţionate. Aplicarea (cu ajutorul calculatorului) unui algoritm stabil unei probleme bine condiţionată garantează obţinerea soluţiei cu o precizie bună, în sensul că eroarea relativă a soluţiei calculate faţă de soluţia exactă este de ordinul de mărime al erorilor de reprezentare a datelor în calculator. Complexitatea algoritmilor În evaluarea complexităţii unui algoritm se ţine cont de două aspecte timpul necesar execuţiei algoritmului (dat de numărul de operaţii elementare) spaţiul de memorie necesitat de algoritm În general nu este posibil să obţinem simultan un timp de execuţie mai scurt precum şi un necesar de spaţiu de memorare mai mic. Progresele tehnologice din ultima vreme impun drept criteriu primordial criteriul timp. Fie n numărul de date de intrare pentru un anumit algoritm (eventual considerăm n egal cu numărul de locaţii de memorie necesare pentru memorarea datelor iniţiale). Fie T S (n) timpul cerut de algoritm pentru un anumit set de n date de intrare S. Vom nota τ(n) timpul cerut de algoritm în cazul cel mai defavorabil, i.e.: τ(n) = sup {T S (n) : S este un set de date de intrare de dimensiune n } 7

Mădălina Roxana Buneci În general nu este posibil să determinăm o formulă pentru τ(n). În acelaşi timp ne interesează comportarea lui τ(n) pentru valori mari ale lui n. În acest sens introducem următoarele notaţii: τ(n) = O(f(n)) dacă C > 0, n 0 N cu τ(n) C f(n) n n 0 Interpretare: τ are o creştere mai lentă decât f τ( n) τ(n) = o(f(n)) dacă lim = 0 n f n ( ) Interpretare: τ are o creştere mai strict mai lentă decât f τ(n) = θ (f(n)) dacă C 1, C 2 > 0, n 0 N cu C 1 f(n) τ(n) C 2 f(n) n n 0 Interpretare: τ are o creştere la fel de lentă ca f τ(n) = Ω(f(n)) dacă f(n) = O(τ(n) Interpretare: f are o creştere mai lentă decât τ O şi o se folosesc pentru a stabili marginile superioare ale timpului de execuţie, iar Ω pentru limita inferioară a timpului de execuţie. Un algoritm se numeşte algoritm polinomial dacă τ(n) = O(P(n)), unde τ este timpul cerut de algoritm, iar P este un polinom. 8