MA2501 Numerical methods

Like dokumenter
MA2501 Numeriske metoder

MA2501 Numeriske metoder

Universitetet i Bergen Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet Eksamen i emnet Mat131 - Differensiallikningar I Onsdag 25. mai 2016, kl.

TMA4329 Intro til vitensk. beregn. V2017

Trigonometric Substitution

TMA4122/TMA4130 Matematikk 4M/4N Høsten 2010

Eksamensoppgave i TMA4320 Introduksjon til vitenskapelige beregninger

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITY OF OSLO DEPARTMENT OF ECONOMICS

Eksamensoppgave i TMA4135 Matematikk 4D

Slope-Intercept Formula

SVM and Complementary Slackness

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

ECON3120/4120 Mathematics 2, spring 2004 Problem solutions for the seminar on 5 May Old exam problems

Eksamensoppgave i TMA4320 Introduksjon til vitenskapelige beregninger

Lineære likningssystemer

Unit Relational Algebra 1 1. Relational Algebra 1. Unit 3.3

Eksamensoppgave i TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/4N

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Elementære eliminasjonsmatriser

Mathematics 114Q Integration Practice Problems SOLUTIONS. = 1 8 (x2 +5x) 8 + C. [u = x 2 +5x] = 1 11 (3 x)11 + C. [u =3 x] = 2 (7x + 9)3/2

Solutions #12 ( M. y 3 + cos(x) ) dx + ( sin(y) + z 2) dy + xdz = 3π 4. The surface M is parametrized by σ : [0, 1] [0, 2π] R 3 with.

TMA4240 Statistikk 2014

TFY4170 Fysikk 2 Justin Wells

Moving Objects. We need to move our objects in 3D space.

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Stationary Phase Monte Carlo Methods

Trådløsnett med. Wireless network. MacOSX 10.5 Leopard. with MacOSX 10.5 Leopard

Gradient. Masahiro Yamamoto. last update on February 29, 2012 (1) (2) (3) (4) (5)

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 2 Løsningsforslag

Dynamic Programming Longest Common Subsequence. Class 27

SCE1106 Control Theory

Numerical Simulation of Shock Waves and Nonlinear PDE

Databases 1. Extended Relational Algebra

Perpetuum (im)mobile

Eksamensoppgave i MA2501 Numeriske metoder

UNIVERSITETET I OSLO

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 2 Løsningsforslag

Information search for the research protocol in IIC/IID

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Trust region methods: global/local convergence, approximate January methods 24, / 15

Eksamen i TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/N

Kurskategori 2: Læring og undervisning i et IKT-miljø. vår

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

FYSMEK1110 Eksamensverksted 23. Mai :15-18:00 Oppgave 1 (maks. 45 minutt)

Øving 5 - Fouriertransform - LF

EKSAMEN I NUMERISK LINEÆR ALGEBRA (TMA4205)

TMA4240 Statistikk Høst 2013

Oppgave. føden)? i tråd med

GEOV219. Hvilket semester er du på? Hva er ditt kjønn? Er du...? Er du...? - Annet postbachelor phd

Eksamensoppgave i TMA4320 Introduksjon til vitenskapelige beregninger

32.2. Linear Multistep Methods. Introduction. Prerequisites. Learning Outcomes

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Ma Linær Algebra og Geometri Øving 1

UNIVERSITETET I OSLO

x(x 1)(x 2) p(x) = 3,0 1( 1 1)( 1 2) Newtons interpolasjonsformel: Tabellen over dividerte differenser er gitt ved

f (x) = a 0 + a n cosn π 2 x. xdx. En gangs delvisintegrasjon viser at 1 + w 2 eixw dw, 4 (1 + w 2 ) 2 eixw dw.

1 Oppgave 1 Skriveoppgave Manuell poengsum. 2 Oppgave 2 Code editor Manuell poengsum. 3 Oppgave 3 Skriveoppgave Manuell poengsum

Verifiable Secret-Sharing Schemes

Exercise 1: Phase Splitter DC Operation

Neural Network. Sensors Sorter

Fasit MAT102 juni 2016

6350 Månedstabell / Month table Klasse / Class 1 Tax deduction table (tax to be withheld) 2012

SERVICE BULLETINE

TMA4210 Numerisk løsning av part. diff.lign. med differansemetoder Vår 2005

UNIVERSITETET I OSLO

Fagevalueringsrapport FYS Diffraksjonsmetoder og elektronmikroskopi

Trådløsnett med Windows XP. Wireless network with Windows XP

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

PSi Apollo. Technical Presentation

Endringer i neste revisjon av EHF / Changes in the next revision of EHF 1. October 2015

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

FYS2140 Kvantefysikk. Løsningsforslag for Oblig 7

Kneser hypergraphs. May 21th, CERMICS, Optimisation et Systèmes

Endelig ikke-røyker for Kvinner! (Norwegian Edition)

Numerisk lineær algebra

IN2010: Algoritmer og Datastrukturer Series 2

Maple Basics. K. Cooper

Lineære ligningssystemer. Forelesning, TMA4110 Torsdag 17/9. Lineære ligningssystemer (forts.) Eksempler

Independent Inspection

Emneevaluering GEOV272 V17

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

0:7 0:2 0:1 0:3 0:5 0:2 0:1 0:4 0:5 P = 0:56 0:28 0:16 0:38 0:39 0:23

Right Triangle Trigonometry

Klara Hveberg, 26 sylen under pivot-elementet, ma vi na bare trekke (3; 2)=(2; 2) = 8=2 = 4 ganger andre rad fra tredje rad >> k=(3,2)/(2,2); >> (3,:)

Gol Statlige Mottak. Modul 7. Ekteskapsloven

1 Aksiomatisk definisjon av vanlige tallsystemer

Dean Zollman, Kansas State University Mojgan Matloob-Haghanikar, Winona State University Sytil Murphy, Shepherd University

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Physical origin of the Gouy phase shift by Simin Feng, Herbert G. Winful Opt. Lett. 26, (2001)

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Hvordan føre reiseregninger i Unit4 Business World Forfatter:

Du må håndtere disse hendelsene ved å implementere funksjonene init(), changeh(), changev() og escape(), som beskrevet nedenfor.

Vedlegg 2 Dokumentasjon fra TVM leverandør

Elektronisk termostat med spareprogram. Lysende LCD display øverst på ovnen for enkel betjening.

TMA Kræsjkurs i Matlab. Oppgavesett 1/3

Monteringsprosedyre for Soundstop - lydmatte

Lineære ligningssystemer og gausseliminasjon

Transkript:

MA250 Numerical methods Solutions to problem set Problem a) The function f (x) = x 3 3x + satisfies the following relations f (0) = > 0, f () = < 0 and there must consequently be at least one zero for f (x) in the interval (0, ). Moreover, as f (x) = 3x 2 3 = 3( x 2 ) < 0 for x (0, ), the function is strictly decreasing in (0, ) and there can thus be at most one zero in (0, ). The zero of f (x) in [0, ] is consequently unique. The function f 2 (x) = cos(x) cos(3x) satsifies the following relations f 2 () = cos() cos(3) > 0, f 2 (2) = cos(2) cos(6) < 0 and there must consequently be at least one zero for f 2 (x) in the interval (, 2). Moreover, as f 2(x) = 3 sin(3x) sin(x) < 0 for x (, 2) the function can have at most one zero in (, 2). The zero of f 2 (x) in [, 2] is thus unique. Alternatively one can use the trigonometric identity at page 92 in the textbok and rewrite f 2 in the form f 2 (x) = 4 sin(x) 2 cos(x). The zero of this function in the interval (, 2) is at x = π/2.

With a little bit of inspection we see that f 3 (x) = x 3 6x 2 + 2x 8 = (x 2) 3 which means that the zero of f 3 (x) in [.5, 3] is unique (x = 2) and of multiplicity 3. b) We will apply the bisection method (intervallhalvvering) to locate the zero of f 2 (x) in [, 2]. Starting with we find i) ii) iii) iv) a 0 =, f 2 (a 0 ).53029 > 0 b 0 = 2, f 2 (b 0 ).37632 < 0 c 0 = 2 (a 0 + b 0 ) =.5, f 2 (c 0 ) 0.2853 > 0. The zero of f 2 (x) is thus in the interval (c 0, b 0 ), so we set a = c 0 =.5, b = b 0 = 2 and start over. c = 2 (a + b ) =.75, f 2 (c ) 0.69033 < 0. The zero of f 2 (x) is thus in the interval (a, c ), so we set a 2 = a =.5, b 2 = c =.75 and start over. c 2 = 2 (a 2 + b 2 ) =.625, f 2 (c 2 ) 0.2607 < 0. The zero of f 2 (x) is thus in the interval (a 2, c 2 ), so we set a 3 = a 2 =.5, b 3 = c 2 =.625 and start over. c 3 = 2 (a 3 + b 3 ) =.5625, f 2 (c 3 ) 0.0338 > 0. The zero of f 2 (x) is thus in the interval (c 3, b 3 ). We may continue the process, but accurately locating the zero by means of the bisection method is too tedious for hand calculation. Four iterations of the bisection method thus locates the zero of f 2 (x) on [, 2] to the more narrow interval (.5625,.625). Newton s method, however, is in this case defined by the scheme x n+ = x n f 2(x n ) f 2 (x n) = x n cos(x n) cos(3x n ) 3 sin(3x n ) sin(x n ) () 2

Table : Newton iterates () from x 0 =.5 n x n 0.5.5763534039879 2.5707963254678 3.57079632679490 4.57079632679490 for all n 0. Choosing x 0 =.5 and performing four iterations of () we find the iterates in Table. In fact, as may be seen by inspection, the exact solution to f 2 (x) = 0 is x = π 2.570796326794896. We thus see that merely four iterations of () is sufficient to compute the exact solution to f 2 (x) = 0 to at least 6 significant digits. This is an example of the rapid convergence often exhibited by Newton s method when started sufficiently close to the exact solution. c) Not shown here. d) A suggested improvement is available as a function newton_improved (in newton_improved.m) from the course homepage. e) The zero of f (x) on [0, ] may be found using fzero by implementing a function f (in f.m) as function y = f(x) % f -- Implement function f from problem set, MA250. y = x.^3-3*x + ; and then calling fzero as >> x = fzero( f, [0, ]) x = 0.34729635533386 The same procedure may be applied to functions f 2 (x) and f 3 (x). 3

Oppgave a) Vi vet at r = Ae e = A r. La være en vektornorm på R n med en tilhørende avledet (subordinat) matrisenorm på R n n. Siden blir Ax A = sup Ax A x, x 0 x e x = A r A r x x = r A A A x som var det vi skulle vise. A A r Ax = A A r r = κ(a) b b b) «Problem» 7..5. Vi finner at [ ] [ ] 0.00 343 0.00 r =, ẽ =, 0.00 572 0.00 [ ] [ ] 0.000 00 0.659 ˆr =, ê =. 0.000 000 0.93 Vi observerer altså at løsningen med størst residual ( r = 0.00 572) har klart minst feil ( ẽ = 0.00). Dette skyldes at matrisen A er dårlig kondisjonert. Spesielt finner vi at κ (A) = A A 2.66 0 6. Videre er x =, ê = 0.93, ˆr =.000 0 6 og b = 0.254. Dermed er feilestimatet oppfylt for både ẽ og ê. Eksemplet viser altså at man må være forsiktig med å bruke residualet som eneste indikator på feilen hvis koeffisientmatrisen er dårlig kondisjonert. c) Vi velger eksaktløsning x = [,,..., ] T. For n = 0 kan vi da løse problemet ved matlab-setningene n = 0; x = ones([n, ]); A = hilb(n); b = A * x; xt = A \ b; e = norm(x - xt, inf) k = cond(a, inf) 4

n x x κ (A) 5.9926 0 2 9.4366 0 5 0 3.7952 0 4 3.5354 0 3 5 7.75 8.0290 0 7 Table 2: Feil og kondisjonstall for system basert på Hilbertmatrisen. n x x κ (A) 5 2.6645 0 5 2.4435 0 0 2.4425 0 5 4.8644 0 5 4.463 0 4 6.72 0 2 00 4.443 0 3 2.4773 0 3 000 4.5336 0 4.8960 0 5 Table 3: Feil og kondisjonstall for system basert på en tilfeldig matrise. Resultatene er oppsummert i Tabell 2. De samme eksperimentene med utgangspunkt i en tilfeldig matrise av tilfeldige tall, definert i matlab som A = rand(n), gir derimot resultatene i Tabell 3. Dine egne resultater vil sannsynligvis variere noe fra disse. Dette viser imidlertid at kondisjonstallet for Hilbertmatrisen er ganske ekstremt. På den annen side vil vi normalt måtte forvente at kondisjonstallet vokser med økende dimensjon på matrisen. Oppgave 2 Kincaid & Cheney, «Problem» 7.2.9 Vi skal løse ligningssystemet 2x + 3x 2 = 8 x + 2x 2 x 3 = 0 3x + 2x 3 = 9 ved help av Gausseliminasjon med skalert delvis pivotering. Denne metoden er beskrevet i boka på side 280 og utover. 5

Vi skriver ligningssystemet på formen Ax = b og får 2 3 0 2 x x 2 = 8 0. (2) 3 0 2 x 3 9 Først beregner vi skaleringsfaktoren til hver rad i A. Skaleringsfaktoren er den største absoluttverdien i hver rad, det vil si s i = max j n a ij for hver rad i n. Skaleringsfaktorene beregnes kun én gang. Vi får s = 3, s 2 = 2, s 3 = 3. I skritt k velger vi som pivotligning den rad i A der forholdet a ik / s i, i I er størst. I er her mengden av «gjenværende» pivotrader. I skritt finner vi a s = 2/3, a 2 s 2 = /2, a 3 s 3 =, så vi velger ligning 3 som pivotrad. Ett skritt i Gaussprosessen gir da 2 3 0 x 8 0 3 4/3 x 2 2 x 2 = 0 0 2 /3 x 2 = 3. 3 0 2 x 3 9 3 0 2 x 3 9 I skritt 2 beregner vi for de gjenværende radene i I = {, 2} a 2 s = 3/3 =, a 22 s 2 = så vi velger rad som pivotrad fordi den har lavest indeks. Ett skritt i Gaussprosessen gir da 0 3 4/3 x 2 0 3 4/3 x 2 0 2 /3 x 2 = 3 0 0 5/9 x 2 = 5/3. 3 0 2 x 3 9 3 0 2 x 3 9 Den siste pivotraden som vi ikke gjør noe med blir rad 2. Vi gjør tilbakesubstituering i samme motsatt rekkefølge av den rekkefølgen vi fikk for pivotradene, altså 2,, 3. Det gir x 3 = 5/9 5/3 = 3, x 2 = 3 (4/3 3 + 2) = 2, x = 3 (9 2 3) =. 6

Kincaid & Cheney, «Problem» 8..4 Vi er gitt matrisen 2 2 A =. 3 2 a) Vi skal vise at A ikke kan LU-faktoriseres, det vil si A kan ikke skrives som et produkt av en nedre enhetstriangulær matrise L og en øvre triangulær matrise U. En matrise kan LU-faktoriseres hvis og bare hvis naiv Gausseliminasjon ikke stopper opp på grunn av null som pivotelement (se forøvrig side 38 i C & K). Vi utfører et skritt med naiv Gausseliminasjon: 2 2 0 0 /2 0 /2 Vi ser at a 22 = 0. Matrisen A har dermed ingen LU-faktorisering. b) Vi skal vise at vi ved å bytte om radene i matrisen A kan produsere en matrise som har en LU-faktorisering. Vi ser at problemet med A er at a = a 2 og a 2 = a 22. Det betyr at eliminasjon av a 2 ved hjelp av a også vil eliminere a 22 ved «hjelp» av a 2. Ved å bytte om radene som rad 2, rad 3 og rad 3 2 får vi da B = 3 2. 2 2 Dermed gir ett skritt med Gausseliminasjon 3 2 0 2. 2 2 0 0 Matrisen B, oppnådd ved å permutere radene til A, har altså en LUfaktorisering. 7