Lineære likningssystemer

Like dokumenter
Elementære eliminasjonsmatriser

Repetisjon: Om avsn og kap. 3 i Lay

Rang og Vektorrom. Magnus B. Botnan NTNU. 4. august, 2015

MAT1120 Repetisjon Kap. 1, 2 og 3

Repetisjon: om avsn og kap. 3 i Lay

Numerisk lineær algebra

UNIVERSITET I BERGEN

Lineære likningssystemer og matriser

Sensitivitet og kondisjonering

Til enhver m n matrise A kan vi knytte et tall, rangen til A, som gir viktig informasjon.

LP. Leksjon 8: Kapittel 13: Nettverk strøm problemer, forts.1

7.4 Singulærverdi dekomposisjonen

TMA4122/TMA4130 Matematikk 4M/4N Høsten 2010

Elementær Matriseteori

UNIVERSITETET I OSLO

Gauss-Jordan eliminasjon; redusert echelonform. Forelesning, TMA4110 Fredag 18/9. Reduserte echelonmatriser. Reduserte echelonmatriser (forts.

Lineær Algebra og Vektorrom. Eivind Eriksen. Høgskolen i Oslo, Avdeling for Ingeniørutdanning

Øving 3 Determinanter

Løsningsforslag øving 6

MAT1120 Repetisjon Kap. 1

Forelesning 10 Cramers regel med anvendelser

Opp til nå har problemstilling vart: Gitt en funksjon f, finn for hvilket verdier av de variabler f tar en bestemt verdi. Ax = b, f(x) = 0.

6.4 Gram-Schmidt prosessen

6.4 (og 6.7) Gram-Schmidt prosessen

Mer om kvadratiske matriser

LP. Leksjon 6: Kap. 6: simpleksmetoden i matriseform, og Seksjon 7.1: følsomhetsanalyse

Løsning Eksamensrelevante oppgaver i ELE 3719 Matematikk Vektorer, matriser og lineær algebra Dato Februar Oppgave 1. (A) Vi leser av at

Mer om kvadratiske matriser

Kap. 6 Ortogonalitet og minste kvadraters problemer

6.5 Minste kvadraters problemer

Obligatorisk innleveringsoppgave, løsning Lineær algebra, Våren 2006

Universitet i Bergen. Eksamen i emnet MAT121 - Lineær algebra

MET Matematikk for siviløkonomer

MA2501 Numeriske metoder

MA2501 Numeriske metoder

Vær OBS på at svarene på mange av oppgavene kan skrives på flere ulike måter!

TMA4110 Eksamen høsten 2018 EKSEMPEL 1 Løsning Side 1 av 8. Løsningsforslag. Vi setter opp totalmatrisen og gausseliminerer: x 1 7x 4 = 0

Lineær algebra. 0.1 Vektorrom

Lineær algebra. H. Fausk i=1 a ix i. Her har vi oppgitt hva ledd nummer i skal være og hvilke indekser i vi summerer over.

Emne 7. Vektorrom (Del 1)

Egenverdier og egenvektorer

Oppgave P. = 2/x + C 6 P. + C 6 P. d) 12(1 x) 5 dx = 12u 5 1/( 1) du = 2u 6 + C = 2(1 x) 6 + C 6 P. Oppgave P.

Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Lineær uavhengighet og basis

Løsningsforslag for obligatorisk øving 1

6 Determinanter TMA4110 høsten 2018

x 1 x 2 x = x n b 1 b 2 b = b m Det kan være vanskelig (beregningsmessig) og bearbeide utrykk som inneholder

LP. Kap. 17: indrepunktsmetoder

MET Matematikk for siviløkonomer

Gauss-eliminasjon og matrisemultiplikasjon

Lineær algebra. H. Fausk i=1 a ix i. Her har vi oppgitt hva ledd nummer i skal være og hvilke indekser i vi summerer over.

LO510D Lin.Alg. m/graf. anv. Våren 2005

UNIVERSITETET I OSLO

GENERELLE VEKTORROM. Hittil har vi bare snakket om vektorrom av type

Lineær algebra-oppsummering

4 Matriser TMA4110 høsten 2018

12 Lineære transformasjoner

6.6 Anvendelser på lineære modeller

8 Vektorrom TMA4110 høsten 2018

a) Matrisen I uv T har egenverdier 1, med multiplisitet n 1 og 1 v T u, med multiplisitet 1. Derfor er matrisen inverterbar når v T u 1.

Lineære likningssett.

Et forsøk på et oppslagsverk for TMA4145 Lineære metoder

4.4 Koordinatsystemer

4.2 Nullrom, kolonnerom og lineære transformasjoner

MA2501, Vårsemestre 2019, Numeriske metoder for lineære systemer

Determinanter til 2 2 og 3 3 matriser

Ikke lineære likninger

UNIVERSITETET I OSLO

Oppgave 1. e rt = 120e. = 240 e

Oppgave 1. (a) Vi løser det lineære systemet for a = 1 ved Gauss-eliminasjon. Vi nner først den utvidede matrisen: x A =

MET Matematikk for siviløkonomer

Hvorfor er lineær algebra viktig? Linear

Forelesning i Matte 3

Oppgave 1. f(2x ) = f(0,40) = 0,60 ln(1,40) + 0,40 ln(0,60) 0,0024 < 0

Inverse matriser. E.Malinnikova, NTNU, Institutt for matematiske fag. September, 2009

DAFE ELFE Matematikk 1000 HIOA Obligatorisk innlevering 3 Innleveringsfrist Torsdag 26. mars 2015 Antall oppgaver:

4.1 Vektorrom og underrom

OBLIG 2 - MAT 1120 Høsten 2005

Eksamensoppgave i TMA4135 Matematikk 4D

A 2 = PDP 1 PDP 1 = PD 2 P 1. og ved induksjon får vi. A k = PD k P 1. Kommentarer:

Øving 2 Matrisealgebra

Pensum i lineæralgebra inneholder disse punktene.

4.4 Koordinatsystemer

Oppgave 1 (25 %) - Flervalgsoppgaver

Fasit til utvalgte oppgaver MAT1110, uka 13/4-16/4

Vektorrom. Kapittel 7. Hva kan vi gjøre med vektorer?

MA2501 Numerical methods

1 Gauss-Jordan metode

LO118D Forelesning 5 (DM)

(3/2)R 2+R 3 R 1 +R 2,( 2)R 1 +R 3 ( 2)R 1 +R 4 6/5R 3 +R 4 1/5R 3

Biseksjonsmetoden. biseksjonsmetode. Den første og enkleste iterativ metode for ikke lineære likninger er den så kalt

Norges teknisk naturvitenskapelige universitet Institutt for matematiske fag Side 1 av 7 L SNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I SIF5009 MATEMATIKK 3 Bokmål Man

MAT Onsdag 7. april Lineær uavhengighet (forts. 1.8 Underrom av R n, nullrom, basis MAT Våren UiO. 7.

UNIVERSITETET I OSLO

TMA4329 Intro til vitensk. beregn. V2017

MAT Oblig 1. Halvard Sutterud. 22. september 2016

LP. Leksjon 1. Kapittel 1 og 2: eksempel og simpleksmetoden

Lineærtransformasjoner

Lineære ligningssystem; Gauss-eliminasjon, Redusert echelonmatrise

3.9 Teori og praksis for Minste kvadraters metode.

Transkript:

Lineære likningssystemer Mange fysiske problemer kan formuleres som lineære likningssystemer i vektorrommet, 1/19 Lu = f Lineær: betyr at virkningen av L på u + v er L(u + v) = Lu + Lv, og skaleres som L(αu) = αl(u), α R (eller α C). Lineære likninger på elige dimensjonale vektorrom kan alltid skrives som et lineært likningssystem Ax = b A er m n, x, b er n-dimensj. vektorer N.B. Vi antar at A er n n, x, b R n.

Eksempel: en elektrisk krets Gitt V og R, finn strømmen. R 1 2/19 V 1 V 3 R 2 R 5 V 2 Ohms lov: spenningsfallet gjennom en resistanse i strøm retning er ir Kirchhoffs regel: den totale spenningsfall i en lukket krets er 0 Vi finner: R 4 i 1 R 1 + (i 1 i 2 )R 2 V 3 + V 1 = 0 (i 2 i 1 )R 2 + (i 2 i 3 )R 5 V 2 = 0 (i 3 i 2 )R 5 + i 3 R 4 + V 3 = 0. Vi omskriver likningene i matrise/vektor form: R 1 + R 2 R 2 R 2 R 2 + R 3 R 5 R 5 R 4 + R 5 i 1 i 2 i 3 = V 1 + V 3 V 2 V 3

Eksempel: stasjonær varmelinking Gitt et område Ω og varmekilden f(x, y), finn løsning av varmelinkingen 3/19 u = f(x, y), u, f : R R R, hvor = 2 x 2 + 2 y 2 og u(x, y) = 0 på randen av Ω. Vi setter h = x = y, og representerer u(i x, j y) u i,j. Vi approksimerer: Ω 2 x u 2 i,j u i 1,j 2u i,j + u i+1,j h 2 2 y u 2 i,j u i,j 1 2u i,j + u i,j+1 h 2 For alle (i, j) har vi u i 1,j + u i,j 1 4u i,j + u i,j+1 + u i+1,j = h 2 f i,j. (pluss BC) Omskriving u i,j, f i,j som lange vektorer u, f (kolonnevis) finner vi et lineært likningssystem Au = f,

hvor A = 4 1 0 0 1 0 0 1 4 1... 0 1.... 0 1......... 0. 1 1 0. 0.... 1 4 1 0 0 1 0 0 1 4 4/19 Problemets løsning u finnes ved å løse systemet Au = f,

Eksistens og entydighet Er avhenging av om A er singulær eller ikke. En n n matrise A kalles ikke-singulær hvis en 5/19 av de følge ekvivalente antagelsene er oppfylt: A har invers, A 1, slik at AA 1 = A 1 A = I det(a) 0 A har n uavhengige rekker/kolonner (rank(a) = n) Ax = 0 bare hvis x = 0. Ellers, er A singulær.

Eksistens og entydighet av Ax = b er avhenging av om A er singulær eller ikke-singulær: A ikke-singulær: en eneste løsning, Ax = b x = A 1 b. A singulær: A 1 finnes ikke og, avhnenging av b, vi har b span(a): uelig mange løsninger b span(a): ingen løsning. 6/19 I 2 dimensjoner: x 2 x 2 x 2 Likn.1 Likn. 2 Likn.1 Likn. 2 Likn.1 Likn. 2 x 1 x 1 x 1

Elementære likningssystemer Hvilken likningssystem er lett å løse? 7/19 De meste elementære er diagonale systemer: d 1,1 0 0 0 0 d 2,2 0 0 0 0 d 3,3 0 0 0 0 d 4,4 x 1 x 2 x 3 x 4 = b 1 b 2 b 3 b 4 d 1,1 x 1 = b 1 d 2,2 x 2 = b 2 d 3,3 x 3 = b 3 d 4,4 x 4 = b 4 x 1 = b 1 /d 1,1 x 2 = b 2 /d 2,2 x 3 = b 3 /d 3,3 x 4 = b 4 /d 4,4 Algoritme: løsning av en diagonal system for i = 1 to n if d i,i = 0, stop x i = b i /d i,i % systemet er singulært

De nest enkleste er triangulære systemer Eksempel: l 1,1 0 0 0 l 2,1 l 2,2 0 0 l 3,1 l 3,2 l 3,3 0 l 4,1 l 4,2 l 4,3 l 4,4 x 1 x 2 x 3 x 4 = b 1 b 2 b 3 b 4 l 1,1 x 1 = b 1 l 2,1 x 1 + l 2,2 x 2 = b 2 l 3,1 x 1 + l 3,2 x 2 + l 3,3 x 3 = b 3 l 4,1 x 1 + l 4,2 x 2 + l 4,3 x 3 + l 4,4 x 4 = b 4 8/19 Dette system Lx = b kalles nedre triangulært siden l i,j = 0 for j > i. x 1 = b 1 /l 1,1 x 2 = 1 l 2,2 (b 2 l 2,1 x 1 ) x 3 = 1 l 3,3 (b 3 l 3,1 x 1 l 3,2 x 2 ) x 4 = 1 l 4,4 (b 4 l 4,1 x 1 l 4,2 x 2 l 4,3 x 3 ) Generelt, ( ) i 1 x 1 = b 1 /l 1,1, x i = b i l i,j x j /l i,i, i = 2, 3,..., n. j=1

( ) i 1 x 1 = b 1 /l 1,1, x i = b i l i,j x j /l i,i, i = 2, 3,..., n. j=1 Algoritme a): rekkevis forlengs løsning av et nedre triangulært system Algoritme b): kolonnevis forlengs løsning av et nedre triangulært system 9/19 for i = 1 to n if l i,i = 0, stop % systemet er singulær x i = b i /l i,i % regner ut x i for j = 1 to i 1 b i+1 = b i+1 l i+1,j x j % oppdaterer b Denne algoritme beregner rekkevis og bruker sdot (inner produkt u T v). for i = 1 to n if l i,i = 0, stop % systemet er singulær x i = b i /l i,i % regner ut x i for j = i + 1 to n b j = b j l j,i x i % oppdaterer b Denne algoritme beregner kolonnevis og bruker saxpy (operasjoner lik αu + v). Hvilken av de to er beste er avhenging av maskinen/programmeringspråk

Tilsvare, for øvre triangulære systemer Ux = b, u i,j = 0 for i < j: Vi kan regne ut x baklengs x n = b n /u n,n, x i = u 1,1 u 1,2 u 1,3 u 1,4 0 u 2,2 u 2,3 u 2,4 0 0 u 3,3 u 3,4 0 0 0 u 4,4 ( b i n j=i+1 x 1 x 2 x 3 x 4 = b 1 b 2 b 3 b 4 u i,j x j ) /u i,i, i = n 1, n 2,..., 1. 10/19 Algoritme b): baklengs løsning av et øvre triangulært system med saxpy for i = n to 1 if u i,i = 0, stop x i = b i /u i,i for j = 1 to i 1 b j = b j u j,i x i % systemet er singulær % regner ut x i % oppdaterer b Tilsvare kan man definere en algoritme som bruker sdot operasjoner og looper gjennom rekker istedet av kolonner.

Gauss eliminasjon Vi ønsker å transformere Ax = b, til et nytt likningssystem som er elementært (diagonale, øvre/nedre triangulære). 11/19 Bruk transformasjons matriser: MAx = Mb M ikkesingulære, MA = B er D,U,L Slike matriser M finnes fordi: vi kan bytte rekker uten at løsningen x er forandret vi kan bytte ut en/flere rekker med deres lineær kombinasjoner med andre rekker uten å forandre x Eksempler er: permutasjoner, elementære eliminasjonsmatriser (Gauss transformasjoner).

Elementære eliminasjonsmatriser Gitt en vektor a = [a 1,..., a n ] T, en matrise 1 0 0 0.......... M k = 0 1 0 0 0 a k+1 a k 1 0, a k 0,.......... 0 an a k 0 1 kalles elementære eliminasjonsmatriser eller Gauss transformasjon. M k a 1. a k a k+1. a n a k kalles pivot. = a 1. a k 0. 0 12/19 Fakta om M k : M k er nedre triangulær med 1-ere på diagonalen, derfor ikkesingulære M k = I me T k, m = [0,..., 0, m k+1,... m n ] T M 1 k = I + me T k = L k Hvis j > k, M j = I ue T j, da: M k M j = I me T k ue T j + me T k ue T j = I me T k ue T j, siden e T k u = et k n l=j+1 u le l = 0. Det samme for L k L j. Merk rekkefølge!

Gauss eliminasjon, LU faktorisering Ax = b Multiplisere begge sider med M 1, med a 1,1 som pivot, slik at [a 1,1, a 2,1,..., a n,1 ] T [a 1,1, 0,..., 0] T. 13/19 Mult. med M 2 så at elementene under diagonalen er sett til null i kolonne 2.... Etter n 1 skritt, vi har M n 1 M n 2 M 1 Ax = M n 1 M n 2 M 1 b hvor U = MA = M n 1 M n 2 M 1 A er øvre triangulære. Vi kan finne x by baklengs substitusjon i Ux = Mb. Denne prosessen kalles Gauss eliminasjon

Eksempel Regn ut Gauss eliminasjons metode for 14/19 2x 1 + 3x 2 + 4x 3 + 5x 4 = 5 x 1 + x 2 x 3 = 0 3x 1 x 2 + 3x 3 x 4 = 0 x 2 3x 3 + x 4 = 0.

Hvorfor kalles dette også LU? Vi har sett at MA = U A = M 1 U = LU M = M n 1 M 1 er nedre triangulære, og så inversen, 15/19 L = M 1 = (M n 1 M 1 ) 1 = M 1 1 M 1 n 1 = L 1 L n 1. Hvis vi antar at A = LU er gitt, først setter vi y = Ux og deretter løser vi Ly = b (forlengs substitusjon) Vi løser Ux = y (baklengs substitusjon) Merk at den midlertidig vektor y = L 1 b = Mb. Gauss eliminasjon og LU er to sider av den samme medalje. LU faktorisering kan implementeres uten å modifisere b LU faktorisering er anbefalt når man skal løse mange likningssystemer med samme A og forskjellige b.

Litt om implementasjon De superdiagonale elementer av U erstatter A sine elementer De underdiagonale elementer av A (som blir null) brukes til å lagre L sine elementer Denne prosedyren kalles factorization in place (faktorisering på plass). 16/19 Algoritme: LU faktorisering m/ Gauss eliminasjon Algoritme: på plass LU faktorisering m/ Gauss eliminasjon for k = 1 to n 1 if a k,k = 0, stop for i = k + 1 to n l i,k = a i,k /a k,k for j = k + 1 to n for i = k + 1 to n a i,j = a i,j l i,k a k,j for k = 1 to n 1 if a k,k = 0, stop for i = k + 1 to n a i,k = a i,k /a k,k for j = k + 1 to n for i = k + 1 to n a i,j = a i,j a i,k a k,j

Pivotering Hvis pivoten er null, da kan ikke Gauss eliminasjon utføres 17/19 a k,k = 0 m k+1 = a k+1,k,..., m n = a n,k a k,k a k,k og faktorisering må stoppes (selv om A er ikke-singulær) Et annet tilfelle er hvis pivoten a k,k er veldig liten, a k,k 1 ɛ er ikke definert m i = a i,k a k,k, i = k + 1,..., n, kan være veldig store og hvis de andre a i,j er av moderat størrelse, vi kan tape mange signifikante siffer Eksempler A = [ 0 1 1 0 ] [ ɛ 1, A = 1 1 ],

Partial Pivoting I prinsippet: store pivoter små m k og derfor mindre feil Vi søker etter den største verdien under diagonalen i kolonne k (dermed kolonnevis pivoting ). Hvis denne er i rekke p, bytter vi ut rekker k og p og faktoriserer som vanlig. Merk at nå er m k 1 18/19 Husk: bytting av rekker permutasjoner MA = U, M = M n 1 P n 1 M 1 P 1 hver elementære eliminasjonsmatrise etterfølger en permutasjons matrise. La oss skrive P = P n 1 P 1 Gauss eliminasjonen m/ partial pivoting er ekvivalent til den LU faktorisering av P A: P A = LU L, U nedre/øvre triangulære. Ax = b Ly = P b, Ux = y. Obs. P er ikke kjent på forhand.

Algoritme: på plass LU faktorisering med Gauss eliminasjon og kolonnevis pivoting for k = 1 to n 1 find index p s.t. a p,k a i,k, for k i n if p k, bytt ut rekker p og k if a k,k = 0 continue with next k % hopper over denne kolonne, alle elementer er 0 allrede for i = k + 1 to n a i,k = a i,k /a k,k for j = k + 1 to n for i = k + 1 to n a i,j = a i,j a i,k a k,j 19/19