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

Like dokumenter
EKSAMEN I NUMERISK LØSNING AV DIFFERENSIALLIGNINGER MED DIFFERANSEMETODER (TMA4212)

EKSAMEN I NUMERISK LØSNING AV DIFFERENSIALLIGNINGER MED DIFFERANSEMETODER (TMA4212)

EKSAMEN I MATEMATIKK 3 (TMA4110)

EKSAMEN I NUMERISK LINEÆR ALGEBRA (TMA4205)

UNIVERSITET I BERGEN

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

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

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

TMA4240 Statistikk 2014

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I FAG SIF5045 NUMERISK LØSNING AV DIFFERENSIALLIGNINGER

Løsningsforslag for eksamen i Matematikk 3 - TMA4115

TMA4100 Matematikk 1 Høst 2014

TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/4N Vår 2013

Egenverdier for 2 2 matriser

EKSAMEN I TMA4110 MATEMATIKK 3 Bokmål Mandag 6. juni 2011 løsningsforslag

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2014

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2016

MA2501 Numerical methods

Eksamen i TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/N

Eksamensoppgave i MA2501 Numeriske metoder

Løsningsforslag MAT 120B, høsten 2001

TMA4215 Numerisk matematikk

UNIVERSITETET I OSLO

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2013

Oppgave 1 (25 %) - Flervalgsoppgaver

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.

UNIVERSITETET I BERGEN

EKSAMEN I NUMERISK LINEÆR ALGEBRA (TMA4205)

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

UNIVERSITETET I BERGEN

MA1201/MA6201 Høsten 2016

TMA4100 Matematikk 1 Høst 2014

Slope-Intercept Formula

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

TMA4135 Matematikk 4D Høst 2014

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2016

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

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

MA1202/MA S løsningsskisse

Abelprisvinner L-funksjoner Kjempers skuldre Galois Frobenius Artin Wiles. Årets Abel-pris Robert Langlands

Løsningsforslag Eksamen M001 Våren 2002

Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Notasjon i rettingen:

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

Eksamensoppgave i TMA4135 Matematikk 4D

Løsningsforslag til eksamen i SIF4072 KLASSISK FELTTEORI Onsdag 28. mai 2003

Øving 5 - Fouriertransform - LF

Løsningsforslag til eksamen i MA0002, Brukerkurs i matematikk B

EKSAMEN I TMA4110 MATEMATIKK 3 Bokmål Fredag 4. desember 2009 løsningsforslag

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

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2014

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

7.4 Singulærverdi dekomposisjonen

MAT1120 Notat 2 Tillegg til avsnitt 5.4

Ma Flerdimensjonal Analyse Øving 1

FYS2140 Kvantefysikk. Løsningsforslag for Oblig 7

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2016

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2017

UNIVERSITETET I OSLO

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

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2014

Eksamensoppgave i TMA4110/TMA4115 Calculus 3

Matematikk 4 TMA4123M og TMA 4125N 20. Mai 2011 Løsningsforslag med utfyllende kommentarer

=cos. =cos 6 + i sin 5π 6 = =cos 2 + i sin 3π 2 = i.

TMA4100 Matematikk1 Høst 2008

5.8 Iterative estimater på egenverdier

MAT UiO. 10. mai Våren 2010 MAT 1012

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

Løsningsforslag MAT102 Vår 2018

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

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Numerisk løsning av PDL

UNIVERSITY OF OSLO DEPARTMENT OF ECONOMICS

Universitet i Bergen. Eksamen i emnet MAT121 - Lineær algebra

7 Egenverdier og egenvektorer TMA4110 høsten 2018

TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/4N Vår 2013

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

Diagonalisering. Kapittel 10

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

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

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

Graphs similar to strongly regular graphs

UNIVERSITETET I OSLO

MA2501, Vårsemestre 2019, Numeriske metoder for lineære systemer

MAT1120 Notat 2 Tillegg til avsnitt 5.4

LØSNINGSSKISSE TIL EKSAMEN I FAG SIF august 2001

Løsningsførslag i Matematikk 4D, 4N, 4M

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

Egenverdier og egenvektorer

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

MAT UiO mai Våren 2010 MAT 1012

TFY4170 Fysikk 2 Justin Wells

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Dynamic Programming Longest Common Subsequence. Class 27

TMA Kræsjkurs i Matlab. Oppgavesett 1/3

Trigonometric Substitution

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN MA0002, VÅR 09

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

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

UNIVERSITETET I OSLO

Transkript:

Norges teknisk naturvitenskapelige universitet Institutt for matematiske fag TMA40 Numerisk løsning av part. diff.lign. med differansemetoder Vår 005 Løsningsforslag Øving 5 a) Vi skal undersøke stabilitet ved Fourier-metoden. Metodens karakteristiske polynom er gitt som ã(z, r) = + εr(z + z) λhr (z z ). Fourier-metoden sier at metoden er stabil dersom kravet ã(e iθ, r) θ [0, π], er oppfylt. Vi setter inn e iθ i ã og får ã(e iθ, r) = εr( (e iθ + e iθ )) λhr (eiθ e iθ ) = 4εr sin θ iαr sin θ, hvor α = λh. Siden a(eiθ, r) er ekvivalent med a(e iθ, r), får vi ved kvadrering a(e iθ, r) = 8εr sin θ + 6ε r sin 4 θ + 4α r sin θ. Vi bruker sin( θ ) = sin θ cos θ og deler så på 8 sin θ. Stabilitetskravet blir dermed at εr + ε r sin θ + α r cos θ 0 eller ekvivalent at α r ε + r(ε α ) sin θ 0. Dette skal holde for θ [0, π]. Vi må skille mellom to tilfeller:. Anta at α < ε. Da har vi stabilitet dersom α r ε + r(ε α ) 0, dvs. dersom r ε. (sett inn ε = α) 4. mars 005 Side av 8

. Anta at α ε. Da har vi stabilitet dersom α r ε 0, dvs dersom r ε α. b) Matrisen Q er gitt ved ε (ε α) (ε + α) ε (ε α) Q = (ε + α) ε (ε α) ε ε, mens F er gitt ved F = r[ε + α, 0,..., 0] T. Legg merke til at siste rad i Q er litt forskjellig fra de andre. Dette kommer av formen av randbetingelsene. c) For å kunne løse denne oppgaven må vi kjenne til hvordan determinanten til en matrise utvikles ved en av radene. Anta vi vil utvikle determinanten til en matrise A ved rad i, da gjelder det A = a i A i + a i A i + + a in A in hvor A ij = ( ) i+j det M ij hvor M ij er ko-faktor matrisen til A, dvs matrisen vi får når vi stryker rad i og søyle j. På grunn av formen til Q, er det lurt å utvikle determinanten om siste rad. Da får vi det(q λi) = 0 Q N + 0 Q N + + 0 Q NN εq NN + (ε λ)q NN = ε( ) N det + (ε λ)( ) N det ε λ (ε α) (ε + α) ε λ (ε α) (ε + α) ε λ 0 (ε + α) (ε α) ε λ (ε α) (ε + α) ε λ (ε α) (ε + α) ε λ (ε α) (ε + α) ε λ Vi ser at det siste leddet er gitt slik som det skal, mens det første ikke er på riktig form. Vi må beregne denne determinanten for seg selv. Hvis vi prøver å utvikle denne nok en gang om siste rad, støter vi raskt på problemer. Det vi bør legge merke til dog, er at siste søyle har bare siste element ulik null. Vi kan derfor benytte regelen om at determinanten av den transponerte matrisen er lik determinanten av matrisen selv, dvs det A = det A T. Dette betyr at vi like 4. mars 005 Side av 8

godt kan utvikle determinanten om en av søylene til matrisen. Vi velger derfor å utvikle problemmatrisen over ved siste søyle. Vi får dermed at det(q λi) = (ε λ)t N (λ) + (0 +... 0 ε(ε α))t N (λ) = (ε λ)t N (λ) ε(ε α))t N (λ), som skulle vises. Videre ser vi at matrisene T M (λ) er tridiagonale, så vi kjenner egenverdiene til disse fra notatet om tridiagonale matriser. Rekurrensformelen fås dog på akkurat samme måte som over, og startbetingelsene er trivielle. d) Matrise-metoden sier at metoden er stabil når ρ(a). Vi må finne σ(q), siden σ(a) = rσ(q). Dette gjøres ved å finne nullpunktene til G (λ). Vi har at G (λ) = (ε λ)t (λ) ε(ε α)t 0 (λ) = (ε λ) ε(ε α). Vi har igjen to muligheter:. Anta at α < ε. Da er G (λ) = 0 hvis Stabilitetskravet er λ = ε ± ε(ε α). rλ 0 og rλ. Den første ulikheten er trivielt oppfylt, og den andre gir r ε + ε(ε α). Anta at α ε. Da er røttene gitt ved som gir For å få stabilitet krever vi at som er oppfylt når λ = ε ± i ε(α ε), σ(a) = rε ± ir ε(α ε). σ(a) = 4rε + 4r ε + εαr ε r, r ε + α. e) Vi setter R = ε α, slik at T M (x) = R M U M (x). Rekurrensformelen for T M gir da R M U M (x) = xrr M U M (x) R R M U M (x), som er ekvivalent med Startsbetingelsene gir at og U M (x) = xu M (x) U M (x). RU (x) = xr U (x) = x R U (x) = 4x R R U (x) = 4x. Dermed kjenner vi igjen denne rekurrens-relasjonen som Chebyshev-polynomene av andre sort, som er nettopp U M (x). 4. mars 005 Side 3 av 8

f) Vi har at λ = ε xr, så rekurrensrelasjonen for G N (λ) gir, når vi substituerer inn uttrykket for T M, følgende uttrykk H N (x) = G N (ε xr) = xrr N U N (x) ε(ε α)r N U N (x) = R N [x(ε α )U N (x) ε(ε α)u N (x)] = (ε α)r N [x(ε + α)u N (x) εu N (x)]. Vi kan dermed konkludere med at røttene til H N (x) ligger i intervallet (, ). La de korresponderende røttene til G N (λ) være gitt ved λ j. Vi har da at σ j (A) = rλ j = r(ε x j R), så kravet σ j (A) gir den trivielt oppfylte ulikheten og ulikheten som er oppfylt når r(ε x j R) 0 r(ε x j R), r ε + ε α g) Sammenligning av Fouriermetoden og matrisemetoden ( egenverditeknikker ) gir at vi ikke får de samme betingelsene: Fouriermetoden Matrisemetoden α ε r ε (strengest) r ε α α α < ε r ε (strengest) r ε+ ε α Fouriermetoden støtter ikke annet enn periodiske randkrav, mens systemet vårt har Dirichlet i venste endepunkt og Neumann i høyre endepunkt. På den andre side så krever matrisemetoden at iterasjonsmatrisa A er normal, AA T = A T A (symmetriske og skjev-symmetriske matriser har denne egenskapen). A er nesten symmetrisk så for en passende definisjon av nesten, så er den nesten normal. Begge teknikker brukes likevel for å indikere stabilitetskrav for metoder med litt ustandard randbetingelser fordi det er bedre med en viss indikasjon på hva som kreves for stabilitet enn ingen. Matrisene B og C er gitt ved D M... B =... DM, C = I M I M I M I M I M, I M I M 4. mars 005 Side 4 av 8

hvor matrisen D M er gitt ved D M =. Vi ønsker nå å løse ligningen hvor B og C inngår. Kall høyresiden f, og sett F = (I rb) og H = (I rc). Vi omskriver ligningen til F HU n+ = f. Først løser vi F y = f, og deretter løser vi HU n+ = y. Begge ligningene er tridiagonale og kan derfor løses med O(M ) operasjoner. NB: Husk at O(M ) operasjoner i denne sammenheng betyr O(n) operasjoner, siden matrisen har M rader og dermed M 4 elementer. I Matlab kan disse matrisene enkelt konstrueres med et Kronecker tensorprodukt. Definer matrisa D i Matlab som D M over. Vi kan da konstruere >> M = 3 >> D = diag ( ones (,M ), ) + diag( ones (,M), 0 ) + diag ( ones (,M ),) D = 0 0 >> B = kron ( eye (M), D) >> C = kron (D, eye (M) ) >> help kron BC er da det samme som kron(d, D). 3 Oppgave 3. i læreboka. We will use Fourier method to analyze the stability of the scheme u n+ l = ( 5µ + 6µ )u n l + 3 µ( 3µ)(un l + un l+ ) µ( 6µ)(un l + un l+ ). The scheme has the following stability function ã(z, µ) ã(z, µ) = ( 5µ + 6µ ) + 3 µ( 3µ)(z + z) µ( 6µ)(z + z ). Substituting z = e iθ, we obtain ã(e iθ, µ) = ( 5µ + 6µ ) + 4 3 µ( 3µ) cos θ µ( 6µ) cos θ. 6 Let us use cos θ = cos θ to express ã(e iθ, µ) in terms of x = cos θ: ã(x, µ) = 3 µ(6µ )x + 4 3 µ( 3µ)x + ( 7 3 µ + µ ). () We must find all values µ such that ã(e iθ, µ), θ [0, π], 4. mars 005 Side 5 av 8

or, equivalently, ã(x, µ), x [, ], Let us notice that according to the definition µ 0. We limit ourselves to this interval in the analysis. There are two cases to consider:. If µ(6µ ) = 0, i.e. µ = 0 or µ = 6 the plot of the function ã(x, µ) is a line. The maximum value of ã(x, µ) for x [, ] is either ã(, µ) or ã(, µ). We get ã(, µ) = 6 3 µ + 8µ, ã(, µ). It is easy to see that ã(, µ) for µ = 0 and µ = 6. Thus, the scheme is stable.. If µ(6µ ) 0, the plot of the function ã(x, µ) is a parabola so that there is one extremum point ( 3µ) x 0 = ( 6µ). The maximum value of ã(x, µ) for x [, ] can be in x =, x = or x = x 0. It is important to notice that we must consider the point x = x 0 only if x 0 [, ]. For the stability of the scheme we require and ã(, µ), ã(, µ) ã(x 0, µ), if x 0 [, ]. We obtain ã(, µ), ã(, µ) if µ 3. The point x 0 is located in the interval [, ] if x 5 5. Because for µ [, 3 ] parabola () is has minimum in x 0 (why?) and it is entirely located in the upper half plane the value ã(x 0, µ) can not have maximum at x 0. Finally, the scheme is stable if µ [0, 3 ]. 4 Oppgave 3. i læreboka. Vi skal drøfte stabiliteten til FM-skjemaet u n+ l (µ ζ)(un+ l un+ l + u n+ l+ ) = un l + (µ + ζ)(un l un l + u n l+ ) for forskjellige valg av ζ. Først benytter vi matrisemetoden. La x = som alltid u n = [u n,..., u n d ]T. d+. Vi setter Vi må først bestemme systemmatrisen A x. Vi har at skjemaet kan skrives som A + x un+ = A x un, hvor A + x = + (µ ζ) (µ ζ) (µ ζ) + (µ ζ)......... (µ ζ) (µ ζ) + (µ ζ) 4. mars 005 Side 6 av 8

og (µ + ζ) (µ + ζ) A x = (µ + ζ) (µ ζ)......... (µ + ζ). (µ + ζ) (µ + ζ) Begge matrisene er TST (tridiagonal, symmetrisk og Toeplitz) og egenverdiene er gitt ved λ + j λ j = + (µ ζ) = (µ + ζ) + (µ ζ) cos( πj d+ ) = + (µ ζ) sin ( πj x (µ + ζ) cos( πj d+ ) = (µ + ζ) sin ( πj x ) j =,..., d ) j =,..., d. Selve systemmatrisen er gitt ved A x = (A + x ) A x. Siden komponentmatrisene er tridiagonale og derfor normale, er systemmatrisen selv en normal matrise. Fordi matriser A + x og A x er TST kan vi skrive A + x = QD+ Q T og A x = QD Q T, der Q er den ortonormale matrisen med egenvektorene (egenvektorene er like for A + x og A x ) og D+ og D diagonale matriser med de respektive egenverdiene (Lemma 0.5 i boka). Dermed følger det umiddelbart at A x = (QD + Q T ) QD Q T = Q(D + ) Q T QD Q T = Q(D + ) D Q T. Dette viser at egenverdiene til A x er gitt som (λ + j ) λ j, dvs egenverdiene er gitt som λ j = (µ + ζ) sin ( πj x ) + (µ ζ) sin ( πj x j =,..., d. ) Vi vet at 0 sin ( πj x ). Anta at verdien er s for å slippe å skrive så mye. λ j betyr da for våre reelle tall: og vi skiller i to tilfeller: (µ + ζ)s + (µ ζ)s. Nevneren er positiv, + sµ sζ > 0 ζ < µ + /(s). Da ganger vi opp nevneren og venstre ulikhet gir som betyr at vi må kreve for stabilitet. Høyre ulikhet blir sµ + sζ sµ sζ ζ s sµ sζ + sµ sζ som kun krever µ > 0 for stabilitet, og dette er alltid tilfredstilt i denne oppgaven (noe annet ville innebære negativ tid). 4. mars 005 Side 7 av 8

. Nevneren er negativ, ζ > µ + /(s). Når nevneren er negativ må vi endre på fortegnet til ulikheten når vi ganger opp. Venstre ulikhet gir sµ + sζ sµ sζ som betyr at ζ /(s). Men høyre ulikhet gir nå µ 0 som ikke er sant i denne oppgaven, dermed er aldri skjemaet stabilt når nevneren er negativ. Siden 0 s har vi at strengeste stabilitetsgrense kommer når s =, dermed har vi at skjemaet kun er stabilt når ζ. Vi skal så benytte Fouriermetoden på samme skjema. Stabilitetsfunksjonen er gitt ved ã(z, µ) = + (µ + ζ)(z + z) (µ ζ)(z + z). Vi setter z = e iθ og får ã(e iθ, µ) = (µ + ζ) + (µ + ζ)(eiθ + e iθ ) + (µ ζ) (µ ζ)(eiθ + e iθ ) = (µ + ζ) sin ( θ ) + (µ ζ) sin ( θ ) θ [0, π]. Vi ser at stabilitetsfunksjonen sammensvarer med uttrykket for egenverdiene fra matrisemetoden, så vi kan konkludere med at Fouriermetoden gir samme stabilitetskrav. Legg merke til at hvis vi setter ζ = 0, så får vi Crank Nicolsons metode, så vi kan forvente at ζ er en slags relaksasjonsparameter, dvs at den skal øke konvergenshastigheten. 4. mars 005 Side 8 av 8