Forelesning 1 I162A-I162. Antonella Zanna. Institutt for informatikk (rom 4143)

Like dokumenter
Forelesning 1 I162A-I162. Antonella Zanna. Institutt for informatikk (rom 4143)

Ikke lineære likninger

Flyttalls aritmetikk. I datamaskinen er alle tall representert i flyttalls aritmetikk.

Sensitivitet og kondisjonering

Kvadratur. I(f) = f(x)dx.

Reelle tall på datamaskin

Derivasjon Forelesning i Matematikk 1 TMA4100. Hans Jakob Rivertz Institutt for matematiske fag 2. september 2011

Eksamensoppgave i MA1101 Grunnkurs i analyse

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

Newtons interpolasjon og dividerte differanser

System av likninger. Den andre likningen løses og gir x=1, hvis man setter x=1 i første likning får man

Eksamensoppgave i TMA4320 Introduksjon til vitenskapelige beregninger

Emnebeskrivelse og emneinnhold

UNIVERSITETET I OSLO

MAT jan jan feb MAT Våren 2010

UNIVERSITETET I BERGEN

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Kompleksitetsanalyse Helge Hafting Opphavsrett: Forfatter og Stiftelsen TISIP Lærestoffet er utviklet for faget LO117D Algoritmiske metoder

UNIVERSITETET I OSLO

Potensrekker Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Løsningsforslag: Eksamen i MAT111 - Grunnkurs i Matematikk I

Kapittel 6: Funksjoner

EKSAMEN I EMNET MAT160 Beregningsalgoritmer 1 Mandag 12 februar 2007 LØSNINGSFORSLAG

6.6 Anvendelser på lineære modeller

Kapittel 3: Litt om representasjon av tall

Kapittel 3: Litt om representasjon av tall

Matematikk 1 (TMA4100)

6.5 Minste kvadraters problemer

UNIVERSITETET I OSLO

IR Matematikk 1. Utsatt Eksamen 8. juni 2012 Eksamenstid 4 timer

Oppsummering av Uke 3. MAT1030 Diskret matematikk. Binære tall. Oppsummering av Uke 3

Informasjon om studieprogrammet Beregningsorientert informatikk

Funksjoner Forelesning i Matematikk 1 TMA4100. Hans Jakob Rivertz Institutt for matematiske fag 19. august 2010

s 2 Y + Y = (s 2 + 1)Y = 1 s 2 (1 e s ) e s = 1 s s2 s 2 e s. s 2 (s 2 + 1) 1 s 2 e s. s 2 (s 2 + 1) = 1 s 2 1 s s 2 e s.

Eksamen i TMA4122 Matematikk 4M

Valg av kontaktpersoner/tillitsvalgte. MAT1030 Diskret matematikk. Oppsummering av kapittel 2. Representasjon av hele tall

(a) R n defineres som mengden av kolonnevektorer. a 1 a 2. a n. (b) R n defineres som mengden av radvektorer

6.4 (og 6.7) Gram-Schmidt prosessen

1 Mandag 1. februar 2010

TMA4100 Matematikk 1, høst 2013

MAT1030 Forelesning 14

UNIVERSITETET I BERGEN

IR Matematikk 1. Eksamen 8. desember 2016 Eksamenstid 4 timer

Funksjoner Forelesning i Matematikk 1 TMA4100. Hans Jakob Rivertz Institutt for matematiske fag 18. august 2011

Andre forelesning Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

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

Høgskolen i Oslo og Akershus. 1 (x 2 + 1) 1/2 + x 1 2 (x2 + 1) 1/2 (x 2 + 1) = x 2x 2 x = = 3 ln x sin x

Eksamensoppgave i MA0002 Brukerkurs i matematikk B - LØSNING

Fasit MAT102 juni 2016

TMA4123M regnet oppgavene 2 7, mens TMA4125N regnet oppgavene 1 6. s 2 Y + Y = (s 2 + 1)Y = 1 s 2 (1 e s ) e s = 1 s s2 s 2 e s.

I Kapittel 2 lærte vi om tall i alternative tallsystemer, i hovedsak om binære tall, oktale tall og heksadesimale tall.

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.

Forkunnskapskrav. Hva handler kurset om. Kontaktinformasjon. Kurset er beregnet på en student som kan

Eksamensoppgave i TMA4320 Introduksjon til vitenskapelige beregninger

MA1102 Grunnkurs i analyse II Vår 2014

Funksjoner Forelesning i Matematikk 1 TMA4100. Hans Jakob Rivertz Institutt for matematiske fag 19. august 2011

Polynomisk interpolasjon

Eksamensoppgave i MA1102/6102 Grunnkurs i analyse II

EKSAMEN I MA0002 Brukerkurs B i matematikk

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 )

La U og V være uavhengige standard normalfordelte variable og definer

Potensrekker Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Eksamensoppgave i TMA4135 Matematikk 4D

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Høgskolen i Oslo og Akershus. a) Finn den deriverte av disse funksjonene: b) Finn disse ubestemte integralene: c) Finn disse bestemte integralene:

UNIVERSITETET I OSLO

Integrasjon Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

UNIVERSITETET I OSLO

Rekurrens. MAT1030 Diskret matematikk. Rekurrens. Rekurrens. Eksempel. Forelesning 16: Rekurrenslikninger. Dag Normann

Transformasjoner av stokastiske variabler

MA1101 Grunnkurs Analyse I Høst 2017

Kan vi forutse en pendels bevegelse, før vi har satt den i sving?

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Kompendium med oppgaver for MAT-INF Høsten Knut Mørken

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

LO118D Forelesning 2 (DM)

MAT1030 Diskret matematikk

MAT1030 Forelesning 3

Litt om numerisk integrasjon og derivasjon og løsningsforslag til noen ekstraoppgaver MAT-INF 1100 uke 48 (22/11-26/11)

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

Oppsummering. MAT1030 Diskret matematikk. Oppsummering. Oppsummering. Eksempel

TMA4122/TMA4130 Matematikk 4M/4N Høsten 2010

TMA4105 Matematikk 2 Vår 2014

Areal mellom kurver Volum Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Hvorfor er lineær algebra viktig? Linear

MAT1030 Diskret Matematikk

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

Matematikk 1000, 2012/2013. Eksamensaktuelle numerikk-oppgåver

Løsningforslag, Øving 9 MA0001 Brukerkurs i Matematikk A

TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/4N Vår 2013

TMA4245 Statistikk Høst 2016

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

MAT1030 Diskret matematikk

Programmering i Java med eksempler

Institutionen för Matematik, KTH

Transkript:

I162A-I162 http://realfag.uib.no/fag/2002v/i162 1/18 Forelesning 1 Antonella Zanna Institutt for informatikk (rom 4143) email: anto@ii.uib.no

Beregningsvitenskap Vårt hverdagsliv er blitt veldig teknologisk: CD spiller, DVD, Mp3,... Mobiltelefoner Værmelding Oljeindustri... 2/18 Bak alt dette ligger det mye matematikk og ingeniørarbeid, og mye vitenskap og beregning! Beregningsvitenskap er et fag som handler om design og analyse av algoritmer som er brukt til å løse slike matematiske problemer.

Modellering Det er vannlig å bytte ut fysiske problemer med modeller løser et alternativt problem, som er lettere å takle Det nye problemet er slik at løsningen er uendret, i hvertfall, ikke så langt unna den originale løsningen. 3/18 Metoder: Redusere uendlige dimensionale problemer til endelig dimensjonale Kompliserte funksjoner byttes ut med f. eks. polynomer Bytte ut integraler med rekker Ikkelineære likninger med lineære likninger...

Feilkilder Før beregning (kan ikke kontrolleres av oss): Modellen kan være simplifisert i forhold til problemet Empiriske mål: Måleinstrumenter har endelig presisjon! F. eks. kostantene i fysikk: g, c,... Data kommer fra tidiligere beregninger (og er approksimasjoner til eksakte input data) 4/18 Inne i beregningsprosessen: Trunkering og diskretisering: endelig vs. uendelig, etc. Avrunding: reelle tall er ikke representert eksakt i maskinen. Algoritmen/prosedyren Resultatet inkluderer og kombinerer begge approksimasjoner, derfor svaret kan inneholde feil som kan være avhenging av problemet eller algoritmen. Studiet og effekten av slike approksimasjoner på algoritmer kalles feilanalyse.

Eksempel: En mann (høyde h = 180cm) kaster en stein, vannrett, med et fart v = 9m/s. Hvor langt fra mannen faller steinen? 5/18 Vi bruker g = 9.18m/s 2, h = 1 2 gt 2 2 1.8 T = g Etter T er kjent, regner vi ut 2 1.8 l = vt = 9 = 5.636 meter g

Selv om formler er eksakte, vi har glemt Friksjon Jorden er rund (og ikke flat) Jorden roterer (Corioliskraft) h, v, g er empirisk målt I datamaskinen er alle disse tall trunkert og avrundet. 6/18 Presisjonen til vårt beregnete svar er avhenging av alle disse (små) feil.

Datafeil og beregningsfeil Som oftest regner vi med at modellen er realistisk nok (det er vår eksakte referanse ). Datafeil og beregnigsfeil kan ikke unngås, men de kan kontrolleres i en viss forstand. 7/18 For eksempel: f : R R. x:= eksakt input; regn ut f(x). Verdien x kan være uren på grunn av feilmåling eller datarepresentasjon, x ˆx. Funksjonen f er beregnet bare som en approksimasjon, ˆf. Totalfeil = ˆf(ˆx) f(x) = { ˆf(ˆx) f(ˆx)} + {f(ˆx) f(x)} }{{}}{{} beregningsfeil propagert datafeil Propagasjon av datafeil er ikke avhenging av algoritmen.

Trunkering og avrunding 8/18 Beregningsfeil er avhenging av algoritmen, og deles i: Trunkering: Forskjell mellom eksakt og algoritmisk svar (i eksakt aritmetikk) for et gitt input. Avrunding: Forskjell mellom svaret i eksakt aritmetikk og flyttall aritmetikk som er brukt i maskinen (fordi det går ikke an å representere alle tall eksakt i flyttall aritmetikk)

Eksempel Regn ut f(π/3) = sin π/3. Bruk lineær interpolasjon med hjelp av matematiske tabeller og π/3 1.0472. 9/18 I tabellboka finner vi: x 0 = 1.047 < 1.0472 < x 1 = 1.048 Den propagerte datafeil er da propagert datafeil = sin(1.0472) 3 2. For å regne ut sinusen, vi bruker den lineære interpolasjons formel som holder for alle y [x 0, x 1 ]: f(y) = f(x 0 ) y x 0 + f(x 1) x 1 y, = x 1 x 0 = 0.001. (1) Interpolasjonsfeil, som vi vil se senere i kurset, til (1) er: E(y) = f(y) f(y) = f (ξ y ), ξ y [x 0, x 1 ]. (2) 2

Merk at E(y) er beregnet i eksakt aritmetikk. Trunkeringsfeil=E(1.0472) For å regne ut det endelige svar, byttes ut i f(y), med f(x i ) f i, i = 0, 1, f 0 = 0.8659266112... = sin(x 0 ), f 1 = 0.88664263493... = sin(x 1 ) 10/18 I maskiner er f i representert i flyttall aritmetikk, og dermed avrundet. All regning er også avrundet: ˆf(ˆx) = Rounding( f(ˆx)) Dermed Avrundingsfeil = ˆf(ˆx) f(ˆx).

Absolutt og relativ feil Som oftest, vi måler feil ved hjelp av: Absolutt feil = approksimasjon eksakt verdi = ˆx x 11/18 Relativ feil = absolutt feil eksakt verdi = ˆx x x (Noen ganger bruker mann Absolutt feil = approksimasjon eksakt verdi absolutt feil Relativ feil = ) eksakt verdi Eks: 1) x = π/3, ˆx = 1.0472: Absolutt feil = 1.0472 π/3 = 2.448803 10 6 Relativ feil = 1.0472 π/3 π/3 = 2.338423 10 6

2) x = 0.00001, ˆx = 0.000015: Vi har 50% feil!! Absolutt feil = 5 10 6 Relativ feil = 5 10 6 10 5 = 5 10 1 = 0.5 = 50% 12/18 Den relative feil gir oss en ide om feilen i forhold til størrelsen til den verdien vi ønsker å approksimere og viser oss hvor mange korrekte (signifikante) siffer vi har. 10 t t korrekte siffer Hvis den relative feil er av størrelse 1, da har vårt tall ˆx ingenting å gjøre med x!!! Relasjon mellom approksimert verdi og relativ feil: Vi har Appr.verdi = eksakt verdi (1 ± relativ feil)

Kondisjonering Vanskeligheter med å løse et problem skyldes ikke nødvendigvis bare algoritmen i bruk! Ofte kan problemet selv være følsomt for perturbasjoner i input data. 13/18 Def. Vi sier at et gitt problem er vel-kondisjonert hvis små variasjoner i input data gir like små variasjoner i output data. Hvis små perturbasjoner av input data gir store variasjoner i output, kalles problemet dårligkondisjonert. Kondisjonering til et problem f kan måles med hjelp av kondisjonstallet: Kond = relativt feil i output relativt feil i input (f(ˆx) f(x))/f(x) =. (ˆx x)/x med ˆx nær x. Kondisjonstallet er mindre eller større enn 1 avhenging av om problemet øker eller reduserer input feilen. Hvis kondisjonstall er mye større enn 1, da er problemet dårlig kondisjonert. For deriverbare funksjoner: Kond f (x) = lim h 0 (f(x + h) f(x))/f(x) (x + h x)/x = lim h 0 hf (x)/f(x) h/x = (x) xf f(x).

Eksempel: Regn ut kondisjonstallet for og diskuter kondisjonering. f(x) = exp(x), 14/18 Siden f = exp er deriverbare, ifølge formelen: Kond f (x) = (x) xf f(x) = x ex e x = x. exp er vel-kondisjonert for små x exp er dårlig-kondisjonert for store x. Derfor, amplifikasjon av input feil skyldes ikke bare algoritmen vi bruke til å beregne exp men vanskeligheten sitter i problemet.

Baklengs feilanalyse Opp til nå, vi har snakket om propagasjon av feil (forlengs feilanalyse). Forlengs feilanalyse kan gi veldig pessimistisk inntrykk av beregningsfeil 15/18 Feil kan studeres også ved hjelp av baklengs feilanalyse.

baklengs feilanalyse x f f(x) ˆf forlengs feilanalyse 16/18 ˆx f ˆf(x) = f(ˆx) Lineære likningssystemer, ODEs,...

Stabilitet og presisjon Stabilitet er den algoritmiske ekvivalent av kondisjonering for problemer 17/18 Def. En algoritme er stabil hvis små perturbasjoner i input data gir like små perturbasjoner i output data for en vel-kondisjonert problem. Output til stabile algoritmer kan tenkes som eksakt output av et nokså nært problem (baklengs feilanalyse synspunkt) Ustabile algoritmer bør ikke brukes!! Presisjon betyr at vår beregning er nær den eksakte. Det er klart at presisjon er avhenging av algoritme, men er ikke nødvendigvis av stabilitet: en algoritme kan være stabil men likevel er problemet følsomt, da kan vi ikke forvente presisjon.

Neste gang 18/18 Flyttall aritmetikk