6 Numeriske likningsløsere TMA4125 våren 2019

Like dokumenter
Newtons metode. Gitt f(x) slik at f(a)f(b) < 0, Newtons metode genererer en følge {x k }, hvor. (Newton Raphson) x k+1 = x k f(x k) f (x k )

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

Ikke lineære likninger

Løsning ved iterasjon

Finne løsninger på ligninger numerisk: Newton-Raphson metoden og Fikspunktiterasjon MAT111, høsten 2017

EKSAMEN I EMNET Løsning: Mat Grunnkurs i Matematikk I Mandag 14. desember 2015 Tid: 09:00 14:00

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 7 Løsningsforslag

Numerisk løsning av ikke-lineære ligninger

UNIVERSITETET I OSLO

Fasit til utvalgte oppgaver MAT1110, uka 28/4-2/5

Potensrekker Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

x n+1 = x n f(x n) f (x n ) = x n x2 n 3

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 6 Løsningsforslag

være en rasjonal funksjon med grad p < grad q. La oss skrive p(x) (x a)q(x) = A

Alle svar skal grunngis. Alle deloppgaver har lik vekt.

10 Metoder for ordinære differensiallikninger TMA4125 våren 2019

Potensrekker Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Komplekse tall. Kapittel 2. Den imaginære enheten. Operasjoner på komplekse tall

6 Determinanter TMA4110 høsten 2018

Oppgave Iterasjonen ser ut til å konvergere sakte mot null som er det eneste fikspunktet for sin x.

Polare trekanter. Kristian Ranestad. 27. oktober Universitetet i Oslo

Tangenten svarer til lineær approksimasjon av funksjonen. Likningen for tangenten finnes derfor fra 1. ordens Taylorutvikling:

Eksamensoppgave i TMA4125 BARE TULL - LF

4 Matriser TMA4110 høsten 2018

MA0002 Brukerkurs i matematikk B. Eksamen 28. mai 2016 Løsningsforslag. Oppgave 1

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

Prøve i Matte 1000 ELFE KJFE MAFE 1000 Dato: 02. desember 2015 Hjelpemiddel: Kalkulator og formelark

4 ( ( ( / ) 2 ( ( ( / ) 2 ( ( / 45 % + 25 ( = 4 25 % + 35 / + 35 ( = 2 25 % + 5 / 5 ( =

Høgskolen i Agder Avdeling for realfag EKSAMEN

Matriser. Kapittel 4. Definisjoner og notasjon

Alle svar skal grunngis. Alle deloppgaver har lik vekt.

Oppsummering TMA4100. Kristian Seip. 26./28. november 2013

Oppgave x d 1.0 for n from 1 by 1 to 200 do x d sin x end do

Prøve i Matte 1000 BYFE DAFE 1000 Dato: 03. mars 2016 Hjelpemiddel: Kalkulator og formelark. Alle svar skal grunngis. Alle deloppgaver har lik vekt.

UNIVERSITETET I OSLO

Heldagsprøve i matematikk. Svar og løsningsforslag

MET Matematikk for siviløkonomer

Potensrekker Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Løsningsforslag MAT102 Vår 2018

Flere anvendelser av derivasjon

Anbefalte oppgaver - Løsningsforslag

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 6 Løsningsforslag

MAT 100a - LAB 3. Vi skal først illustrerere hvordan Newtons metode kan brukes til å approksimere n-te roten av et positivt tall.

Eksamen MAT1013 Matematikk 1T Va ren 2014

Eksamen 1T, Høsten 2012

MA1102 Grunnkurs i analyse II Vår 2019

Løsningsforslag. 7(x + 1/2) 5 = 5/6. 7x = 5/ /2 = 5/6 + 3/2 = 14/6 = 7/3. Løsningen er x = 1/3. b) Finn alle x slik at 6x + 1 x = 5.

MAT 110A - VÅR 2001 OBLIGATORISK OPPGAVESETT

BYFE/EMFE 1000, 2012/2013. Numerikkoppgaver uke 40

Newtons metode for system av ligninger

Eksempeloppgåve/ Eksempeloppgave Desember 2007

Eksamensoppgave i TMA4125 Matematikk 4N

Eksamensoppgave i TMA4125 EKSEMPELEKSAMEN - LF

MA2501 Numeriske metoder

Oppsummering TMA4100. Kristian Seip. 17./18. november 2014

Eksamen R2, Høst 2012, løsning

LYØSINGSFORSLAG Eksamen i MAT111 - Grunnkurs i matematikk I onsdag 18. mai 2011 kl. 09:00-14: i( 3 + 1) = i + i + 1

Løsningsforslag. Innlevering i BYFE/EMFE 1000 Oppgavesett 1 Innleveringsfrist: 14. september klokka 14:00 Antall oppgaver: 3.

Løsningsforslag. Oppgave 1 Gitt matrisene ] [ og C = A = 4 1 B = 2 1 3

UNIVERSITETET I OSLO

5.8 Iterative estimater på egenverdier

= x lim n n 2 + 2n + 4

x 2 + y 2 z 2 = c 2 x 2 + y 2 = c 2 z 2,

TMA4135 Matematikk 4D Kompendium i numerikk. Eirik Refsdal

Løsningsforslag. a) i. b) (1 i) 2. e) 1 i 3 + i LF: a) Tallet er allerede på kartesisk form. På polar form er tallet gitt ved

Løsningsforslag. a) Løs den lineære likningen (eksakt!) 11,1x 1,3 = 2 7. LF: Vi gjør om desimaltallene til brøker: x =

Eksamen 1T høsten 2015

Eksamensoppgave i MA1102/6102 Grunnkurs i analyse II

MA1102 Grunnkurs i analyse II Vår 2014

Eksamensoppgave i TMA4320 Introduksjon til vitenskapelige beregninger

R2 kapittel 8 Eksamenstrening Løsninger til oppgavene i læreboka

TMA4110 Matematikk 3 Eksamen høsten 2018 Løsning Side 1 av 9. Løsningsforslag. Vi setter opp totalmatrisen og gausseliminerer:

Løsningsforslag. og B =

EKSAMEN Løsningsforslag

Løsningsforslag eksamen 18/ MA1102

Andregradslikninger. x 2 =d hvor d = c a

Lineære likningssystemer og matriser

Eksamen REA3022 R1, Våren 2009

Konvergenstester Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

TMA4122/TMA4130 Matematikk 4M/4N Høsten 2010

f =< 2x + z/x, 2y, 4z + ln(x) >.

I = (x 2 2x)e kx dx. U dv = UV V du. = x 1 1. k ekx x 1 ) = x k ekx 2x dx. = x2 k ekx 2 k. k ekx 2 k I 2. k ekx 2 k 1

BYFE DAFE Matematikk 1000 HIOA Obligatorisk innlevering 5 Innleveringsfrist Fredag 15. april 2016 kl 14 Antall oppgaver: 8

MAT Oblig 1. Halvard Sutterud. 22. september 2016

1T eksamen våren 2018 løsningsforslag

Oppsummering TMA4100. Kristian Seip. 16./17. november 2015

Løsningsforslag til utvalgte oppgaver i kapittel 3

Notat 4 - ST februar 2005

Løsningsforslag. Prøve i Matematikk 1000 BYFE DAFE 1000 Dato: 29. mai 2017 Hjelpemiddel: Kalkulator og formelark. Oppgave 1 Gitt matrisene.

Løsningsforslag. og B =

R2 kapittel 8 Eksamenstrening

Eksamen R2, Høsten 2015, løsning

Oppfriskningskurs i Matematikk

1. (a) Finn egenverdiene og egenvektorene til matrisen A =

5.5 Komplekse egenverdier

Løsningsforslag, midtsemesterprøve MA1101, 5.oktober 2010

MAT jan jan feb MAT Våren 2010

x 3 x x3 x 0 3! x2 + O(x 7 ) = lim 1 = lim Denne oppgaven kan også løses ved hjelp av l Hôpitals regel, men denne må da anvendes tre ganger.

TMA4100 Matematikk 1, høst 2013

Transkript:

6 Numeriske likningsløsere TMA415 våren 019 Andregradslikningen kan vi løse med formelen a + b + c 0 b ± b 4ac a Men i mange anvendelser dukker det opp likninger ikke kan løses analytisk Et klassisk eksempel er cos I disse tilfellene må vi velge blant forskjellige numeriske løsere istedet En løsning r av en likning kalles gjerne en rot Halveringsmetoden Vi søker r slik at fr 0 Dersom f er kontinuerlig bytter fortegn i r, kan vi benytte denne informasjonen til å finne en approksimasjon n til r La oss anta at vi kjenner a b slik at r [a, b] er den eneste roten til f i [a, b] Vi definerer nå 1 a, b, a+b Fortegnet til f vil fortelle oss om < r eller > r, følgelig vil vi kunne si med sikkerhet om r [ 1, ] eller r [, ] Intervallene [ 1, ] [, ] er akkurat halvparten så lange som [ 1, ], så etter å ha utført denne prosessen, har vi en mer nøyaktig ide om hvor r befinner seg Vi setter så eller 1, alt etter fortegnet til f, repeterer prosedyren Dersom vi gjør dette n ganger, ender vi opp med et intervall med lengde b a n, hvis vi til slutt setter r n 1+, vet vi at r n b a n+1 Teorem 61 Dersom f er en kontinuerlig funksjon med en rot i intervallet a, b, produserer n steg med halveringsmetoden et estimat som tilfredsstiller Fikspunktmetoden r n b a n+1 Anta at vi har en likning på formen Iterasjonen r gr n+1 g n vil konvergere mot r under noen omstendigheter Det kommer litt an på g Vi begynner med et eksempel Eksempel 6 Vi løser polynomlikningen + 0 Dette polynomet kan spaltes i + + 1 +, vi skal se hvordan fikspunkmetoden leter etter de forskjellige løsningene Likningen kan skrives om til g på flere måter, men vi skal begynne med å skrive 1 +, slik at g 1 n+1 1 +, n + n Vi prøver å finne løsningen r 17050807568877, starter derfor en kjøring i 0 15 Vi får: 0 1500000000000000 5-09957055671977 10-0999985515417 15-09999999819986 0-099999999970454 5-0999999999998784 0-0999999999999995 5-1000000000000000 Også nå ønsker metoden heller å finne r 1 Eksemplet over er kjørt med en kodesnutt som ser slik ut: import numpy as np import time #initialgjetning -15 #denne koden er basert paa at vi overskriver en enkelt variabel istedet for aa lagre hele rekken av iterasjoner derfor trenger vi en ekstra variabel for aa holde styr paa avstanden mellom iterasjonene y-1 #hvor tett skal det vaere mellom iterasjonene foer vi er fornoyde? tol10**-16 #fikspunkt for -cos 0 while npabsy- > tol: # vi holder paa saa lenge avstanden mellom iterasjonene er storre en tol y # y er naa forrige iterasjon **+**-/ #dette er fikspunktiterasjonen timesleep5 #en liten pause, slik at vi skal faa tid til aa nyte synet av den nye iterasjonen print, npabs-y #som printes her 1

Fikspunktmetoden i forrige eksempel viste en sterk preferanse på hvilken rot den hadde lyst til å finne Men man kan skrive om likningen til g på mange måter Eksempel 6 Vi skriver nå om likningen + 0 til + Starter vi i 0 15, får vi 0-1500000000000000 5-170044011461 10-170508045849 15-1705080756851 0-17050807568878 5-17050807568877 Denne fikspunktmetoden klarte fint å finne roten r Som vi ser av de to foregående eksemplene, kan fikspunktmetoden konvergere mot forskjellige røtter avhengig av hvordan vi skriver om likningen Den kan så ikke konvergere i det hele tatt Eksempel 64 Vi prøver igjen + Starter vi i 0 15, i håp om å finne r, får vi 0-1500000000000000 1 0867469877551 68701588518744 4-04997811546809 5 50078841967099 6-08116180067 7 6454116990940 8-08815585764740 9-0541641177714 10 68709596074 Denne fikspunktmetoden klarte ikke å finne noe som helst når vi startet i 0 15 For å skjønne hva som skjer, kan vi taylorutvikler g om r: g n gr + g r n r+ skrive g r n+1 r g n gr n r + g r n r +! g r n r + g r n r + da har vi en likning som sier noe om størrelsen på n+1 r som en funksjon av n r, altså hvor mye feilen minker fra iterasjon til iterasjon For fikspunktiterasjonen ser vi at det blir best konvergens om g er så liten som mulig Vi tar med et konvergensteorem Teorem 65 La g være en kontinuerlig deriverbar funksjon Dersom både a < g < b g L < 1 på på [a, b], finnes et entydig punkt r slik at Fikspunktmetoden r gr n+1 g n konvergerer mot r dersom 0 [a, b] Eksempel 66 I eksemplene over er g + g + Hvis du deriverer disse evaluerer i røttene til polynomet +, vil du se et tydelig mønster Fikspunktmetoden greier ikke finne r dersom g r > 1 Til slutt kan nevnes at fikspunktmetoden så kan brukes på systemer på formen G der R n G : R n R n Iterasjonen er n+1 G n Å analysere konvergensen til denne iterasjonen blir for hardt for oss, men vi skal få bruk for selve iterasjonen i kapitlet om numeriske metoder for ordinære differensiallikninger Newtons metode Anta at likningen er på formen fr 0 Prosedyren for Newtons metode er som følger: slå tangenten til funksjonen f i iterasjonen n Punktet der tangenten skjærer -aksen er den nye iterasjonen n Hvis vi setter opp likningen for tangenten y f n f n n, sier at iterasjonen n+1 er den -verdien slik at y 0: f n f n n+1 n, blir iterasjonen n+1 n f n f n Eksempel 67 Vi søker løsningene til 4 10 + 5 50 + 4 0

Som Ingrid Espelid Hovig har vi jukset litt, valgt et polynom som faktoriseres pent: 4 10 +5 50+4 1 4 Newtons metode blir: n+1 n 4 n 10 n + 5 n 50 n + 4 4 n 0 n + 70 n 50 La oss lete etter r 1 Vi starter i 0 05, får: 0 0500000000000000 1 079895454545455 09508175998688 0996068041 4 099997187651984 5 0999999998549667 6 1000000000000000 Konvergerer fort dette her Som du ser i eksemplet over, dobles antall korrekte desimaler etter hver iterasjon For å analysere konvergensen til Newtons metode må vi se den som en fikspunktiterasjon, der Vi beregner g f f g 1 f ff f ff f Husk at fr 0 Dersom f r 0, får vi slik at n+1 r g n gr g r g r frf r f r 0, n r + g r n r +! Dette kalles kvadratisk konvergens - feilen etter n + 1 iterasjoner er proporsjonal med kvadratet av feilen etter n iterasjoner Da konvergerer det fort Eksempel 68 Nå prøver vi å finne løsningene til 4 9 + 7 1 + 1 0 Nok en gang er det et lettfaktorisert polynom: 4 9 + 7 1 + 1 1 4 Newtons metode blir: n+1 n 4 n 9 n + 7 n 1 n + 1 4 n 7 n + 54 n 1 Nok en gang leter vi etter r 1, ved å starte i 0 05: 0 0500000000000000 1 0714146414641 0849487847971 091697117796 4 0957159106705 5 0978194606194 6 09889994651411 7 09944747550580 8 0997104719 9 09986190094898 10 0999065657084 Det ser ut til å konvergere, men mye saktere enn i sted Hva skjedde? I eksemplet over er f 1 0 Dette betyr at g 1 f1f 1 f 1 ikke er bestemt, grensen lim 1 g trenger ikke være null Eksemplet demonstrerer tydelig at den kvadratiske konvergensen ikke kan garanteres dersom f r 0 Sekantmetoden Denne ligner på Newton, men vi slår sekanten til f gjennom iterasjonene n i 1, istedet for tangenten i i Punktet der sekanten skjærer -aksen er den nye iterasjonen n Iterasjonen blir n i 1 n+1 n f n f n f i 1 Merk at her må man ha to initialgjetninger 1 0, siden man trenger to punkter for å slå en sekant Når det gjelder sekantmetoden, kan det vises at n+1 r C n r 16, men det er et svineri, du må taylorutvikle noe ut av det hinsidige Konvergens kalles superlineær, altså kjappere enn fikspunkt, men treigere enn Newton Newtons metode i to dimensjoner Anta at vi har to funksjoner f, y g, y Vi leter etter et punkt a, b slik at både likningene fa, b 0 ga, b 0 f, y 0 g, y 0 angir nivåkurver for funksjonene f g Punktet a, b må ligge på skjæringspunktet mellom disse

y f, y 0 a, b vi skriver fn, y n g n, y n f n, y n f y n, y n n+1 n g n, y n g y n, y n y n+1 y n g, y 0 Nå kan vi gange med f n, y n f y n, y n g n, y n g y n, y n 1 Anta at du har en iterasjon n, y n Vi setter opp tangentplanene til f g i n, y n z f n, y n f n, y n n + f y n, y n y y n z g n, y n g n, y n n + g y n, y n y y n Hvis vi krever at z 0, får vi likninger for skjæringslinjene mellom disse tangentplanene, y-planet f n, y n f n,y n n + f y n, y n y y n g n, y n g n,y n n + g y n, y n y y n Iterasjonen n+1, y n+1 defineres som skjæringen mellom disse linjene Altså er y f n, y n a, b n, y n n+1, y n+1 f n,y n n+1 n + f y n, y n y n+1 y n g n, y n g n,y n n+1 n + g y n, y n y n+1 y n, et lineært likningssystem som definerer n+1, y n+1 Matrisen er f n, y n f y n, y n g n, y n g y n, y n fra venstre, legge til n, y n på begge sider, få Newtons metode for systemer n+1 n y n+1 y n 1 f n, y n f y n, y n fn, y n g n, y n g y n, y n g n, y n Jeg gadd ikke skrive ut hva f n, y n f y n, y n g n, y n g y n, y n er, men du kan regne det ut ved å huske fra lineæralgebraen at 1 a b 1 d b c d ad bc c a Eksempel 69 Vi leter etter løsninger til systemet + y 1 4 + y 1 Som du husker fra M er den første likningen for enhetssirkelen, mens den andre er likningen for en ellipse med halvakser 1 Trekker man to ganger den første fra den andre, kan man regne ut at skjæringspunktet mellom disse kurvene i første kvadrant er, 075598946018454, 065465670707977 7 7 La oss se om Newtons metode finner dette punktet Siden f, y + y 1 blir g, y 4 + y 1 f n, y n f y n, y n g n, y n g y n, y n som har invers Metoden blir n+1 y n+1 n 1 7y 4y y y n 1 7y starter vi i 1, 1, får vi: 4y y 1 y 4y fn, y n g n, y n, 4

n n y n 1 1000000000000000 1000000000000000 07857148571486 07148571485714 07564950649507 06571485714857 4 0755991566800 06546588509168 5 075598946018484 0654656707495 6 075598946018454 065465670707977 7 075598946018455 065465670707977 Maskinpresisjon etter syv iterasjoner Bra greier det her 5