METODE NUMERICE: Laborator #7 Calculul valorilor proprii si vectorilor proprii prin metodele puterii. Metoda Householder

Σχετικά έγγραφα
Metode iterative pentru probleme neliniare - contractii

Sisteme diferenţiale liniare de ordinul 1

2 Transformări liniare între spaţii finit dimensionale

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

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

Calculul valorilor proprii

Seminar 5 Analiza stabilității sistemelor liniare

Curs 4 Serii de numere reale

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

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

Curs 1 Şiruri de numere reale

Metode de interpolare bazate pe diferenţe divizate

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

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

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

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

Esalonul Redus pe Linii (ERL). Subspatii.

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

Seminar Algebra. det(a λi 3 ) = 0

V.7. Condiţii necesare de optimalitate cazul funcţiilor diferenţiabile

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

Sisteme liniare - metode directe

Laborator 6. Integrarea ecuaţiilor diferenţiale

3. Vectori şi valori proprii

Curs 2 Şiruri de numere reale

Integrala nedefinită (primitive)

PROBLEME DE VALORI ŞI VECTORI PROPRII

DISTANŢA DINTRE DOUĂ DREPTE NECOPLANARE

CURS 11: ALGEBRĂ Spaţii liniare euclidiene. Produs scalar real. Spaţiu euclidian. Produs scalar complex. Spaţiu unitar. Noţiunea de normă.

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

5. FUNCŢII IMPLICITE. EXTREME CONDIŢIONATE.

Toate subiectele sunt obligatorii. Timpul de lucru efectiv este de 3 ore. Se acordă din oficiu 10 puncte. SUBIECTUL I.

Matrice. Determinanti. Sisteme liniare

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

Calculul valorilor şi vectorilor proprii

Asupra unei inegalităţi date la barajul OBMJ 2006

Metode iterative pentru rezolvarea sistemelor de ecuatii liniare

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

1.3 Baza a unui spaţiu vectorial. Dimensiune

CURS XI XII SINTEZĂ. 1 Algebra vectorială a vectorilor liberi

Criptosisteme cu cheie publică III

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

Laborator 1: INTRODUCERE ÎN ALGORITMI. Întocmit de: Claudia Pârloagă. Îndrumător: Asist. Drd. Gabriel Danciu

Lectia VI Structura de spatiu an E 3. Dreapta si planul ca subspatii ane

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

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

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

Subiecte Clasa a VIII-a

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

Vectori liberi Produs scalar Produs vectorial Produsul mixt. 1 Vectori liberi. 2 Produs scalar. 3 Produs vectorial. 4 Produsul mixt.

Descompunerea valorilor singulare

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

Proceduri numerice de analiză sistemică

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

Cap2. Sisteme de ecuaţii algebrice liniare - metode iterative

1. Sisteme de ecuaţii liniare Definiţia 1.1. Fie K un corp comutativ. 1) Prin sistem de m ecuaţii liniare cu n necunoscute X 1,...

5.5. REZOLVAREA CIRCUITELOR CU TRANZISTOARE BIPOLARE

Aplicaţii ale principiului I al termodinamicii la gazul ideal

Teme de implementare in Matlab pentru Laboratorul de Metode Numerice

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

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

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

Laborator 11. Mulţimi Julia. Temă

1.4 Schimbarea bazei unui spaţiu vectorial

Olimpiada Naţională de Matematică Etapa locală Clasa a IX-a M 1

riptografie şi Securitate

Capitolul 4 PROPRIETĂŢI TOPOLOGICE ŞI DE NUMĂRARE ALE LUI R. 4.1 Proprietăţi topologice ale lui R Puncte de acumulare

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

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

2.1 Sfera. (EGS) ecuaţie care poartă denumirea de ecuaţia generală asferei. (EGS) reprezintă osferă cu centrul în punctul. 2 + p 2

Nicolae Cotfas ELEMENTE DE EDITURA UNIVERSITĂŢII DIN BUCUREŞTI

Calculul funcţiilor de matrice Exponenţiala matriceală

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

Functii Breviar teoretic 8 ianuarie ianuarie 2011

Concurs MATE-INFO UBB, 1 aprilie 2017 Proba scrisă la MATEMATICĂ

2. Sisteme de forţe concurente...1 Cuprins...1 Introducere Aspecte teoretice Aplicaţii rezolvate...3

, m ecuańii, n necunoscute;

MARCAREA REZISTOARELOR

III. Reprezentarea informaţiei în sistemele de calcul

Matrici şi sisteme de ecuaţii liniare

CONCURS DE ADMITERE, 17 iulie 2017 Proba scrisă la MATEMATICĂ

Exemplu de lucrare de licenţă

Capitolul 4. Integrale improprii Integrale cu limite de integrare infinite

Lucrare. Varianta aprilie I 1 Definiţi noţiunile de număr prim şi număr ireductibil. Soluţie. Vezi Curs 6 Definiţiile 1 şi 2. sau p b.

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

Conice - Câteva proprietǎţi elementare

Algebra si Geometrie Seminar 9

Activitatea A5. Introducerea unor module specifice de pregătire a studenţilor în vederea asigurării de şanse egale

Ministerul Educaţiei Naționale Centrul Naţional de Evaluare şi Examinare

Subiecte Clasa a VII-a

TEMA 9: FUNCȚII DE MAI MULTE VARIABILE. Obiective:

VARIANTE PENTRU BACALAUREAT, M1-1, 2007

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

Profesor Blaga Mirela-Gabriela DREAPTA

OANA CONSTANTINESCU. ( a carei ecuatie matriceala este data in raport cu un reper cartezian R = {O; ē 1,, ē n }.

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

Sisteme de ecuaţii diferenţiale

3 FUNCTII CONTINUE Noţiuni teoretice şi rezultate fundamentale Spaţiul euclidian R p. Pentru p N *, p 2 fixat, se defineşte R

Spaţii vectoriale. Definiţia 1.1. Fie (K, +, ) un corp şi (V, +) un grup abelian.

Cap.2. Sisteme de ecuaţii algebrice liniare - metode directe (II)

Transcript:

METODE NUMERICE: Laborator #7 Calculul valorilor proprii si vectorilor proprii prin metodele puterii. Metoda Householder Titulari curs: Florin Pop, George-Pantelimon Popescu Responsabil Laborator: Alexandru Țifrea Obiective Laborator În urma parcurgerii acestui laborator studentul va fi capabil să: Utilizeze metoda puterii directe și metoda puterii inverse pentru a determina valorile și vectorii proprii ai unei matrice; Aplice metoda Householder pentru a determina vectorii și valorile proprii ale unei matrice; Aplice proprietățile valorilor și vectorilor proprii în rezolvarea unor probleme cu matrice Noțiuni teoretice Definiții Definiția 1: Fie A C n n. Un număr λ C se numește valoare proprie a matricei A dacă există un vector nenul x C n, numit vector propriu asociat valorii proprii λ C, astfel încât Ax = λx (ecuația caracteristică). Observații: 1) Ax = λx - acest sistem liniar și omogen admite soluții nenule dacă și numai dacă p(λ) = det(λi n A) = 0. 2) Polinomul monic p(λ) de gradul n se numește polinom caracteristic al matricei A. Valorile proprii ale unei matrice sunt zerourile polinomului caracteristic. 3) Numărul real ρ(a) = max λ i λ(a) ( λ i ) se numește raza spectrală a matricei A. Definiția 2: Se numește spectrul (de valori proprii al) matricei A mulțimea λ(a) = {λ 1, λ 2,..., λ n }. Proprietăți ale valorilor proprii Au loc urmatoarele proprietati: n λ i = n A(i, i) = tr(a) i=1 i=1 P1) Valorile proprii ale unei matrice satisfac relațiile n λ i = det(a) i=1 1

P2) Dacă există T C n n astfel încât B = T AT 1 atunci λ(a) = λ(b). Transformarea de asemănare conservă spectrul de valori proprii al matricei. Observații: Două matrice A și B sunt asemenea dacă există o matrice nesingulară T C n n astfel încât B = T AT 1. Pentru orice matrice A C n n (în particular A R n n ) există o matrice unitară Q C n n astfel încât matricea unitar asemenea cu A: S = Q T AQ C n n este superior triunghiulară. În cazul real, pentru orice matrice A Rn n există o matrice ortogonală Q C n n astfel încât matricea ortogonal asemenea cu A: S = Q T AQ R n n are o structură cvasi-superior triunghiulară: S = S 11 S 12... S 1q 0 S 22... S 2q............ 0 0... S qq unde blocurile diagonale s ii, i = 1 : q sunt matrice 1 1 sau 2 2, cele de dimensiune 2 2 având valorile proprii complexe. Matricea S poartă numele de forma Schur reală a matricei A. Determinarea vectorilor și valorilor proprii Mediul de programare OCTAVE furnizează o funcție de calcul a valorilor și vectorilor proprii pentru o matrice A arbitrară. Un exemplu de utilizare: [V, lambda] = eig(a); Metoda puterii directe Fie matricea A R n n având spectrul de valori proprii λ (A) = {λ 1, λ 2,..., λ n } şi fie X = {x 1, x 2,..., x n } un set de vectori proprii, de normă euclidiană unitară, ai matricei A. Presupunem că λ 1 λ 2... λ n. Dacă y C n este un vector de normă euclidiană unitară având o componentă nenulă pe direcţia vectorului propriu x 1 X, definim şirul vectorial ( y (k)) şi şirul numeric ( λ (k)) prin relaţiile: k N k N 1. y (0) = y 2. Pentru k = 1, 2,... 3. z A y (k 1) 4. y (k) z z 2 5. λ (k) (y (k) ) T Ay (k) Observație: Metoda puterii directe converge oricum am alege y inițial care să verifice condiția menționată. Metoda puterii inverse Metoda puterii inverse de determinare iterativă a unui vector propriu se bazează pe relaţia conform căreia matricea B = (A µi) 1 va avea o valoare proprie net dominantă dacă, deplasarea µ este o aproximaţie, Facultatea de Automatică şi Calculatoare, UPB Pagina 2 din 5

chiar şi grosieră, a unei valori proprii distincte a matricei A. Metoda puterii inverse, este, în fapt metoda puterii aplicată matricei B de mai sus şi se defineşte astfel: 1. y (0) = y 2. Pentru k = 1, 2,... 3. Se rezolvă sistemul liniar (A µi)z = y (k 1) 4. y (k) z z 2 5. λ (k) (y (k) ) T Ay (k) 5. µ = λ (k) Conform celor arătate la metoda puterii, şirul ( y (k)) este convergent către vectorul propriu al matricei k N A asociat valorii proprii celei mai apropiate de deplasarea µ. Pentru a obține un algoritm care converge mai rapid, deplasarea µ este modificată de la o iteraţie la alta utilizând aproximaţia curentă µ = λ (k) a unei valori proprii a matricei A. Această variantă, cunoscută sub denumirea de iterarea câtului Rayleigh, este definită de vectorul iniţial de normă unitară y, deplasarea iniţială µ = µ 0 = y T Ay şi procedura în care µ se înlocuieşte cu µ = λ (k) Metoda deflației Deflația este aplicabilă doar în cazul matricelor simetrice cu elemente reale. Cu ajutorul metodei puterii se poate găsi valoarea proprie dominantă și vectorul propriu corespunzător. Pentru a afla restul de perechi proprii vom folosi următoarea construcție: Inițial avem o matrice A cu vectorii proprii x 1, x 2,..., x n și valorile proprii λ 1, λ 2,..., λ n dintre care pe λ 1 și x 1 îi calculăm cu metoda puterii. Construim matricea B = (I n x 1 y T )A, cu y ales astfel încât x 1 y T = 1. Această matrice va avea valorile proprii {0, λ 2, λ 3,..., λ n } și vectorii proprii {x 1, z 2, z 3,..., z n }, unde z i = x i x 1 y T x i, i = 2 : n. Dacă din matricea B scoatem prima linie și prima coloană, își păstrează perechile proprii mai puțin prima. Pe această matrice putem aplica același procedeu. Metoda Householder În esență, metoda propune o procedură de construcţie iterativă a unui şir de matrice ortogonal asemenea cu matricea iniţială şi rapid convergent către forma Schur reală. Dacă prin metodele puterii se obțineau aproximări ale valorilor și vectorilor proprii, prin metoda Householder se urmărește obținerea formei Schur reale, care conține valorile proprii exacte. Toate versiunile algoritmului QR sunt organizate în două etape: 1. etapa directă, de reducere a matricei date la forma superior Hessenberg prin transformări ortogonale de asemănare; 2. etapa iterativă, de construcţie recurentă a unui şir de matrice convergent către forma Schur reală. Algoritmul QR cu deplasare explicită cu paşi simpli Considerăm matricea H ca fiind o matrice superior Hessenberg. Atunci algoritmul se scrie astfel: 1. H 0 = H 2. Pentru k = 0, 1, 2,... Facultatea de Automatică şi Calculatoare, UPB Pagina 3 din 5

4. H k µ k I n = Q k R k 5. H k+1 = Q k R k + µ k I n Pentru o alegere convenabilă a lui µ k se poate demonstra că metoda converge rapid către forma Schur reală a matricei H. De aceea, la fiecare pas facem atribuirea: µ k = h (k) nn. Astfel, algoritmul va fi următorul: 1. µ = h nn 2. H = H µi n 3. Pentru j = 1 : (n 1) 4. Se determină rotaţia plană P j,j+1 astfel încât (Pj,j+1 T H) j+1,j == 0 5. H = Pj,j+1 T H 6. Pentru j = 1 : (n 1) 7. H = HP j,j+1 8. H = H + µi n Algoritmul QR cu deplasare explicită cu paşi dubli Pentru depăşirea dificultăţilor legate de absenţa convergenţei şirului QR creat de utilizarea paşilor simpli atunci când matricea are valori proprii complexe se adoptă aşa numita strategie a paşilor dubli QR care comprimă într-o singură iteraţie doi paşi simpli QR succesivi. Algoritmul propriu-zis este următorul: 1. Pentru k = 1, 2,... 2. s = h n 1,n 1 + h n,n 3. p = h n 1,n 1 h nn h n,n 1 h n 1,n 4. Se calculează M = H 2 sh + pi n 5. Se factorizează M = QR 6. H = Q T HQ Problema 1 Implementați în OCTAVE metoda puterii directe și metoda puterii inverse. Problema 2 a 1 c 1......... b 2 a 2 c 2...... Fie matricea 3-diagonală: A =................ Se construieşte şirul de polinoame:...... b n 1 a n 1 c n 1......... b n a n p 0 (λ) = 1, p 1 (λ) = λ a 1,..., p n (λ) = (λ a n )p n 1 (λ) b n c n 1 p n 2 (λ) a) Arătaţi că p n (λ) este polinomul caracteristic al matricei A. b) Scrieţi o funcţie Matlab care calculează valorile proprii şi vectorii proprii ai matricei A. Facultatea de Automatică şi Calculatoare, UPB Pagina 4 din 5

Problema 3 Să se demonstreze { pentru A R n n : a) σ(a 1 1 ) = λ 1, 1 1 λ 2,..., λ n }; b) σ(a µi n ) = {λ i µ}, µ R; c) σ(a k ) = { } λ k i, k { N; } d) σ((a µi n ) 1 ) =, µ R; 1 λ i µ Problema 4 Calculaţi valorile proprii şi vectorii proprii ai unui reflector Householder. Indicație: G T u = e 1. G - este un reflector. Coloanele lui G sunt vectori proprii. Facultatea de Automatică şi Calculatoare, UPB Pagina 5 din 5