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.

Like dokumenter
EKSAMEN I NUMERISK LINEÆR ALGEBRA (TMA4205)

R: 0, , = 6000 D : 0, , = 4000 La v n = angi fordelingen etter n år (dvs. a b n stemmer for R og

EKSAMEN I NUMERISK LINEÆR ALGEBRA (TMA4205)

MA1201/MA6201 Høsten 2016

5.8 Iterative estimater på egenverdier

UNIVERSITETET I OSLO

MA2501, Vårsemestre 2019, Numeriske metoder for lineære systemer

MAT1120 Oppgaver til plenumsregningen torsdag 25/9

6.4 Gram-Schmidt prosessen

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

Universitet i Bergen. Eksamen i emnet MAT121 - Lineær algebra

7.4 Singulærverdi dekomposisjonen

Løsningsforslag til eksamen i MA1202/MA6202 Lineær algebra med anvendelser høsten 2009.

Kap. 6 Ortogonalitet og minste kvadraters problemer

7.1 forts. Schur triangularisering og spektralteoremet

UNIVERSITETET I OSLO

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

12 Diagonalisering av matriser og operatorer (Ch. 5.1, 5.2 og 8.5)

Lineær algebra. 0.1 Vektorrom

Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Eksamensoppgave MAT juni 2010 (med løsningsforslag)

6.4 (og 6.7) Gram-Schmidt prosessen

6.5 Minste kvadraters problemer

MAT UiO. 10. mai Våren 2010 MAT 1012

MA1201 Lineær algebra og geometri Løsningsforslag for eksamen gitt 3. desember 2007

16 Ortogonal diagonalisering

EKSAMEN I TMA4180 OPTIMERINGSTEORI

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

Diagonalizering. En n n matrise A sies å være diagonaliserbar hvis den er similær med en diagonalmatrise D. A = PDP 1

Obligatorisk innleveringsoppgave, løsning Lineær algebra, Våren 2006

UNIVERSITY OF OSLO. Faculty of Mathematics and Natural Sciences. Matlab-utskrift (1 side).

Løsningsforslag til eksamen i MA1202/MA6202 Lineær algebra med anvendelser våren 2009.

MAT-1004 Vårsemester 2017 Prøveeksamen

Sensitivitet og kondisjonering

Eksamensoppgave i TMA4110/TMA4115 Calculus 3

Kap. 7 Symmetriske matriser og kvadratiske former

EKSAMEN I NUMERISK LØSNING AV DIFFERENSIALLIGNINGER MED DIFFERANSEMETODER (TMA4212)

Egenverdier for 2 2 matriser

Minste kvadraters løsning, Symmetriske matriser

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

Diagonalisering. Kapittel 10

Forelesning 14 Systemer av dierensiallikninger

13 Oppsummering til Ch. 5.1, 5.2 og 8.5

Løsninger for eksamen i MAT Lineær algebra og M102 - Lineær algebra, fredag 28. mai 2004, Oppgave 1. M s = = 1 2 (cofm 2) T.

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2016

Et forsøk på et oppslagsverk for TMA4145 Lineære metoder

UNIVERSITET I BERGEN

Egenverdier og egenvektorer

LP. Kap. 17: indrepunktsmetoder

UNIVERSITETET I OSLO

MAT UiO mai Våren 2010 MAT 1012

UNIVERSITETET I OSLO

MAT Oblig 1. Halvard Sutterud. 22. september 2016

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2014

UNIVERSITETET I OSLO

Lineære likningssystemer

MAT Prøveeksamen 29. mai - Løsningsforslag

Løsningsforslag MAT 120B, høsten 2001

Kapittel 3. Mer om egenverdier og egenvektorer. 3.1 Komplekse n-tupler og vektorer

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

= 3 11 = = 6 4 = 1.

MA1202/MA S løsningsskisse

Oppgave 14 til 9. desember: I polynomiringen K[x, y] i de to variable x og y over kroppen K definerer vi undermengdene:

MA2501 Numeriske metoder

MA2501 Numeriske metoder

Oppgave 1 (25 %) - Flervalgsoppgaver

η = 2x 1 + x 2 + x 3 x 1 + x 2 + x 3 + 2x 4 3 x x 3 4 2x 1 + x 3 + 5x 4 1 w 1 =3 x 1 x 2 x 3 2x 4 w 2 =4 x 1 x 3 w 3 =1 2x 1 x 3 5x 4

12 Projeksjon TMA4110 høsten 2018

Eksamen i TMA4180 Optimeringsteori Løsningsforslag.

MA1201 Lineær algebra og geometri Høst 2017

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

Numerisk lineær algebra

TMA4165: Dierensiallikninger og dynamiske systemer

7 Egenverdier og egenvektorer TMA4110 høsten 2018

Vi skal koble diagonalisering av matriser sammen med ortogonalitet. Skal bl.a. se på

TMA4122/TMA4130 Matematikk 4M/4N Høsten 2010

TMA4110 Matematikk 3 Haust 2011

Kap. 6 Ortogonalitet og minste kvadrater

Løsningsforslag for eksamen i Matematikk 3 - TMA4115

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

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

15 Hovedprinsippet for vektorrom med et indre produkt

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2013

MA1201/MA6201 Høsten 2016

Numerisk lineær algebra for Poissons ligning

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2014

MAT3000/ Våren 2013 Obligatorisk oppgavesett nr. 2 Løsningsskisse

EKSAMEN I NUMERISK LØSNING AV DIFFERENSIALLIGNINGER MED DIFFERANSEMETODER (TMA4212)

MAT1120 Oppgaver til plenumsregningen torsdag 18/9

Determinanter til 2 2 og 3 3 matriser

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

6.8 Anvendelser av indreprodukter

MA1201/MA6201 Høsten 2016

Eksamensoppgave i Løsningsskisse TMA4240 Statistikk

TMA4110 Matematikk 3 Haust 2011

MAT1120 Repetisjon Kap. 1, 2 og 3

Ekstraoppgaver for STK2120

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamensoppgave i TMA4115 Matematikk 3

UNIVERSITETET I OSLO

Transkript:

Norges teknisknaturvitenskapelige universitet Institutt for matematiske fag Side 1 av 5 Oppgave 1 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. Vi ser at (I + γuv T )(I uv T ) = I + (γ 1 γv T u) uv T. Derfor er (I + γuv T )(I uv T ) = I, γ = 1 1 v T u. b) For å nne en skranke til kondisjonstallet K (I uv T ) vi nner en øvreskranke for -normen av I uv T og (I uv T ) 1. Vi bruker denisjonen av naturlige normen og Cauchy-Swartz ulikheten, vi får I uv T = max x =1 x uvt x ( x + v T x u ) (1+ v u ). På samme måten nner vi at og siden vi får og til slutt I + γuv T (1 + v u γ ), γ 1 1 v T u I + γuv T (1 + v u 1 v T u ) 1 + v u 1 v T, u K (I uv T ) (1 + v u )(1 + v u ) 1 v T. u c) Matrisen B 1 A = (I zz T ), er symmetrisk, for å ha garantert konvergensen av konjugerte-gradientersmetoden må B 1 A være symmetrisk positivt denitt. Dette betyr at 1 z T z, som er den eneste egenverdien foskjellig fra 1, skal være positiv. Dermed må vi kreve at z < 1.

TMA405 Numerisk lineær algebra Side av 5 Konvergensestimaten til konjugerte-gradientersalgoritme gir x x m B 1 A x x 0 B 1 A ( K 1 K + 1. (1) I vårt problem bruker vi K = K (B 1 A) og estimaten fra punkt b). Siden z 0.5, vi har at K (B 1 A) og dermed vi får at (1 + 0.5 0.5)(1 + 0.5 0.5) 1 0.5 =.5, ( K 1 K + 1 (.5 1.5 + 1 10 3, er tilfredstilt når 5.0979 = log(10 3 /) log(.5 1.5+1 ) < m, d.v.s. m 6. Merknad. Antall iterasjoner ovenfor avhenger av skranken gitt for kondisjonstallet i punkt b). Ved bruk av andre skarnker kan man bevise at den gitte feilbeskreankning er tilfredstilt i ferre enn 6 iterasjoner. Man kan også velge å bruke estimatet gitt i Teorem 6.9 i Saads bok istedet for den mer vanlige konvergensestimatet (1). d) Vi ser på tilfellet der w = Bz. Dette kan lett generaliseres til tilfellet med vilkårlige w og z, tatt slik at A er inverterbar. Vi nner x ved å løse B 1 Ax = B 1 b. Siden B 1 A = I wz T, når z T w 1, har vi at (I wz T ) 1 = I γwz T og dermed x = B 1 b γwz T B 1 b. Vi har føgende algoritme: Algoritme 1 beregn v = B 1 b beregn β = z T v 3 beregn γ = 1 1 z T w 4 beregn x = v + (γ β) w e) Siden og Ω = P ΩP T vi får B = Ω H Λ Ω, ΩH Ω = I, B = P BP T.

TMA405 Numerisk lineær algebra Side 3 av 5 Siden P er en permutasjonsmatirse, har vi at for i J := {1,..., n}, P e i = e i, for e i og e i kanoniske vektorer og i J. Dermed får vi e T i Be i = e T i Be i, d.v.s. diagonalelementene til B er gitt ved en permutasjon av diagonalelementene til B, og av samme grunn, diagonalelementene til Λ er gitt av en permutasjon av diagonalelementene til Λ = P T ΛP. Anta g = n Ω H b e T 1 b = 1 n e T 1 Ωg der b T er første rad i B. Siden første rad i Ω har elementer alle lik 1/ n, og komponentene til g er egenverdiene til B, får vi e T 1 b = 1 n λ l = n l=1 n/ 1 (α + l ), l=1 ved bruk av den oppgitte formlen får vi e T 1 b = 1 1 (n 3n + + 4 α n ). siden B er syklisk er diagonalelementer alle lik e T 1 b. f) Vektet Jacobi iterasjonen for å løse By = c er y m+1 = (1 ω)y m + ωd 1 (E + F )y m + ωd 1 c, B = D E F der D er diagonal og E er nedre triangulær og F øvre triangulær, og 0 < ω 1 er relaksasjonsparameteren. Med G ω = I ωi + ωd 1 (D B) = I ωd 1 B, får vi at iterasjoneen kan skrives som y m+1 = G ω y m + ωd 1 c. Egenverdiene til G ω = I ωd 1 B er 1 λ j µ j = 1 ω n 3n + + 4α/n, j = 1,..., n der λ j er egenverdiene til B, d.v.s. λ j = { α + ( j 1), hvis j er partall, α + ( j+1 1), hvis j er oddetall.

TMA405 Numerisk lineær algebra Side 4 av 5 g) Vi ser på glattingsegenskapene til vektet Jacobi. Den initiale feilen er e 0 = y y 0 og kan uttrykkes ved bruk av basisen gitt av kolonnene til den unitære matrisen Ω, w j, j = 1,..., n, d.v.s. Siden e m = y y m har vi at e 0 = f j w j. j=1 e m = G ω y + ωd 1 c G ω y m ωd 1 c = G ω e m 1 = G m ω e 0. Derfor ved bruk av formelen for e 0 får vi e m = f j µ m j w j. Ved å kreve at µ n/ = µ n, har vi j=1 1 λ n/ 1 + ω n 3n + + 4α/n = 1 ω 1 λ n n 3n + + 4α/n, ved å sette inn λ n/ = { α + ( n 4 1), hvis n/ er partall, α + ( n/+1 1), hvis n/ er oddetall, og λ n = α + (n/ 1) får vi resultatet. Oppgave Vi skal se på sensitivitet med hensyn til avrundingsfeil i systemet AXC = B der A er en reell n n inverterbar matrise, X er en reell n p matrise, C er en reell p p inverterbar matrise og B er n p matrise, med n p. Vi betrakter den perturberte systemet (A + ε A)X(ε)(C + ε C) = B + ε B. Siden elementene i A + ε A og C + ε C avhenger kontinuerlig av ε for ε lite nok er begge matrisene inverterbar og vi har X(ε) = (A + ε A) 1 (B + ε B)(C + ε C) 1. Skranken til den absolute feilen X(ε) X nnes via Taylor utvikling av X(ε) rundt ε = 0. Man må nne en formel for Ẋ(ε). ε=0 Man bruker at d dε (G + ε G) = (G + ε G) 1 G(G + ε G) 1,

TMA405 Numerisk lineær algebra Side 5 av 5 dette brukes også i den vanlige analyse av sensitivitet for lineære systemer. Man får Ẋ(0) = A 1 AA 1 BC 1 + A 1 BC 1 A 1 BC 1 CC 1. For den relative feilen har man X(ε) X X ε Ẋ(0) X + O(ε ), og ved bruk av uttrykken for Ẋ(0) og at som direkte konsekvens av ligningen har man at X 1, B A C får man til slutt X(ε) X X ε ( K (A) A + K (C) C + K (A)K (C) B ) +O(ε ). A C B Oppgave 3 Betrakt Arnoldis algoritme for å beregne en ortonormal basis til Krylov rommet K m (A, u 0 ) = span{u 0, Au 0,..., A m 1 u 0 }, der A er en n n matrise og u 0 R n. Egenverdiene til Arnoldis Hessenberg matrisen, V T m AV m = H m, kan beregnes eektivt for eksempel ved bruk av en skiftet QR iterasjonsalgoritme, dette er fordi for Hessenberg m m matriser QR-iterasjonen koster bare O(m ) operasjoner per iterasjon istedet for O(m 3 ). Grunnen er at å QR-faktorisere en Hessenberg matrise koster bare O(m ) operasjoner hvis vi bruker m Givens rotasjoner til formålet. I tilleg i iterasjon k av QR-iterasjonen, hvis Q R = H k er H k+1 = R Q også en Hessenberg matrise, m.a.o. er Hessenberg strukturen bevart gjennom iterasjonen. Vi antar at ν k er en egenverdi til H m og y k R m er den tilsvarende normerte egenvektoren. Vi betrakter ν k som approksimasjon til en egenverdi til A og V m y k som approximasjon av den tilhørende egenvektoren. For å nne en feilsrkanke for AV m y k ν k V m y k, bruker vi følgende resultatet om Arnoldis algoritme AV m = V m H m + h m+1,m v m+1 e T m, der e m R m er den kanoniske vektoren. Vi får AV m y k ν k V m y k, h m+1,m e T my k.