Vektorok. Octave: alapok. A fizika numerikus módszerei I. mf1n1a06- mf1n2a06 Csabai István

Átírás

1 Vektorok A fizika numerikus módszerei I. mf1n1a06- mf1n2a06 Csabai István Octave: alapok Az octave mint számológép: octave:##> 2+2 ans = 4 Válasz elrejtése octave:##> 2+2; octave:##> + - / * () Hatványozás: ^ (Magyar billentyőzeten: Alt Gr 3) Program futás megszalítása: Ctrl-C Kilépés: quit Help lapozás, kilépés: space, q Függvények: exp(1) ans = * sin(40*pi/180 + log(2.4^2)) ans =

2 Függvények Konstansok Foglalt változónevek: utasítások, függvények Konstansok: Imaginárius egység: i, j octave:1> j*j ans = -1 Π : pi e,természetes logaritmus alapja: e

3 Skalár változók (számok) Változók definiálása: octave:##> deg = pi/180 deg = Változók használata: octave:##> 1.2 * sin(40*deg + log(2.4^2)) ans = Elızı eredmény felhasználása: octave:28> x = 2 * ans x = Nem kell deklarálni a változókat mint pl. C++ -ban, minden változó double Pl. C nyelven így nézne ki: double deg, pi; pi = ; deg = pi / 180.0; A változók felülírhatóak Vigyázat! A konstansok felülírhatóak: octave:13> e e = octave:14> log(e) ans = 1 octave:15> e=132.6 e = octave:16> log(e) ans = Sıt a függvények is felülírhatóak!! octave:17> sin(pi) ans = e-16 octave:18> sin=12.5 sin = octave:19> sin(pi) error: expecting integer index, found error: Array::Array (const Array&, const dim_vector&): dimension mismatch

4 Változók törlése octave:22> clear sin octave:23> sin(pi) ans = e-16 octave:24> log(e) ans = octave:25> clear all octave:26> log(e) ans = 1 Lehetıleg ne írjuk felül a clear utasítást! Vektorok és mátrixok az octave-ban Az octave a változókat mátrixnak tekinti (adattípusok) Skalár értékek: 1x1 mátrix Vektorok: 1xN (vagy Nx1) mátrix Vektorok, mátrixok: más értelemben használjuk mint fizikában 1 és több indexes tömbök adattáblák

5 Fizikai vektorok és vektorterek Vektorok A vektorokkal mőveletek végezhetıek A vektorok koordináta rendszerben ábrázolhatóak számhármasokként

6 Vektor Fizika: 2 dimenziós, 3 dimenziós vektor Programok: 1 soros/oszlopos mátrix (tömb) N dimenziós vektor: adatsor Vekotorok az octave-ban Sorvektor: octave:##> a=[1 4 5] a = octave:##> b=[2,1,0] b = Oszlopvektor: octave:##> c=[4;7;10] c = A vektorokon végzett mőveletekben jelent majd különbséget!

7 Transzponálás Oszlop és sorvektor átalakítás, transzponálás: octave:50> a=[1 4 5] a = octave:51> b=a b = Vektorok: folytatás Kiegészítés octave:##> a=[1 4 5] a = octave:##> d=[a 6] d = Automatikus számolás octave:##> e=2:6 e = octave:##> e=2:0.3:4 e =

8 Speciális vektorok octave:37> zeros(1,5) ans = octave:38> ones(1,5) ans = octave:39> linspace(1,10,5) ans = octave:40> logspace(1,9,5) ans = A vektor elemei octave:##> a=[1:2:6-1 0] a = octave:##> a(3) ans = 5 octave:##> a(3:5) ans = octave:##> a(1:2:5) ans = octave:45> p=[1:2:5] p = octave:46> a(p) ans = 1 5 0

9 Mőveletek vektorokkal Szorzás skalárral octave:##> a * 2 ans = Elemenkénti mőveletek:.+,.-,.*,./ octave:##> b=[ ]; octave:##> a.*b ans = octave:##> b.^ 2 ans = octave:##> 2.^ b ans = Mőveletek vektorokkal Függvények is hatnak elemenként octave:##> angles=[0:pi/3:2*pi] angles = octave:##> y=sin(angles) y =

10 Vektor mint adatsor Ábrázolás octave:##> plot(angles,y) Vektor mint adatsor octave:##> angles=linspace(0,2*pi,100); octave:##> y=sin(angles); octave:##> plot(angles, y);

11 Számábrázolás Tízes számrendszer: = A digitális számítógép áramkörei két állapotúak: van feszültség nincs feszültség bit = 1 byte : kettes számrendszerben egész szám ábrázolható = = 8+1 = biten jelölhetjük az elıjelet, pl. 4 byte = 32 bit egész számok: x Egy lehetıség törtek ábrázolására: fixpontos ábrázolás = = /4= Lebegıpontos számok Fixpontos számok hátránya Nem ábrázolhatók egyszerre nagyon nagy és nagyon kicsi számok pontosan Bankároknak jó tudósoknak nem Tudományos számábrázolás zsebszámológépen E+09 elıjel mantissza kitevı/karakterisztika Számítógép lebegıpontos számok elıjel (-1) s f 2 e-b mantissza karakterisztika 32 bit esetén pl.: s e f

12 IEEE 754 szabvány 32 bit: egyszerő pontosság: float 64 bit: dupla pontosság: double (-1) s f 2 e-b Példa: 64 bit, b=1023, s:1,e:11,f:23 bit (+még 48db 0) = = (+még 48db 0) = = (+még 48db 0) = = (+még 48db 0) = = (+még 48db 0) = = 6.5 Normalizált számok: akkor nem veszítünk értékes biteket, ha a mantissza teljesen ki van töltve azaz a legnagyobb helyiértéken 1 áll: ezért vegyük ezt fix 1-nek, nem is kell eltárolni, csak a maradék számjegyeket Nem normalizált (subnormal) számok: a legkisebb normalizált számoknál kisebb értékeket ábrázolnak, egyre kisebb számokra egyre kisebb relatív pontossággal, hisz a nagyobb helyiértékeken is lehet 0

13 Egyszerő példa: 8 bit, b=1, s:1, e:3, f:4 bit A legnagyobb szám: = = = A legkisebb normált pozitív szám: = = = 1.0 A legnagyobb nem normált szám: = = A legkisebb pozitív nem normált szám: = = (-1) s f 2 e-b Egyszerő példa, jobb felbontás: 8 bit, b=3, s:1, e:3, f:4 bit A legnagyobb szám: = = = 31 A legkisebb normált pozitív szám: = = = 0.25 A legnagyobb nem normált szám: = = A legkisebb pozitív nem normált szám: = = (-1) s f 2 e-b

14 Lebegıpontos számok Csak véges értékek ábrázolhatóak 32 bit (float): x bit (double): x túlcsordulás, alulcsordulás Csak véges számú szám ábrázolható véges a felbontás 32 bit: 6-7 tizedes jegy 64 bit: tizedes jegy kerekítési hiba Gépi pontosság: 1 c +ε m = 1 c (jelölés: gép által ábrázolt 1 1 c ) float: ε m = e-07 double: ε m = e-16 octave:##> 1+1e-16 ans = 1 Számábrázolás: octave A véges ábrázolás miatti kerekítési hiba octave:##> ans = e-17 Túlcsordulás: octave:##> 1e308+1e308 ans = Inf Végtelen: inf 0/0: nan Számábrázolási pontosság: eps octave:##> eps eps = e-16 Legnagyobb, és legkisebb szám amit a gép ábrázolni tud: octave:##> realmin, realmax realmin = e-308 realmax = e+308

15 Hibák felerısödése: kivonás Véges számábrázolás miatt: x = 1+ ε ) c x( x Különbség hibája: a= b c a b ac a c c c b 1+εb εc a c b 1+ ε ) c(1+ ε ) ( b c Probléma, ha azonos nagyságrendő számokat vonunk ki, a relatív hibája nagy lesz : ac b b 1+ ε a 1+ ( εb εc ) 1+ max( εb, εc ) a a a b Mivel b c nagy, tehát a relatív hiba nagy. a c a Különbségi hiba: példa ax 2 + bx+ c= 0 megoldó-képlet: x 1,2 b± = 2 b 4ac 2a Ha b 2 2 >> 4ac b 4ac b vagyis az elsı gyök pontatlan! Szorozzuk meg a számlálót és nevezıt bm b 2 4ac -vel! x' 1,2 = b± 2c b 2 4ac matematikailag ekvivalens megoldó-képlet. Ekkor, a fenti helyzetben az elsı gyök pontos lesz, viszont a második pontatlan. Használjuk tehát az elı gyökhöz a 2. képletet, a második gyökhöz pedig az elsıt! Megj.: 1. Ugyanezt a képletet kapjuk, ha 1/x-re írunk fel 2-od fokú egyenletet. 2. Programban használható praktikus változat: 3. További példa numerikus hiba stabilizálására

16 octave:##> a=1; b=1; c=1e-12; octave:##> x1=(-b+sqrt(b*b-4*a*c))/2*a x1 = e-13 octave:##> x2=(-b-sqrt(b*b-4*a*c))/2*a x2 = octave:##> xx1=-2*c/(b+sqrt(b*b-4*a*c)) xx1 = e-12 octave:##> xx2=-2*c/(b-sqrt(b*b-4*a*c)) xx2 = octave:##> a*x1*x1+b*x1+c ans = e-17 octave:##> a*x2*x2+b*x2+c ans = e-17 octave:##> a*xx1*xx1+b*xx1+c ans = 0 octave:##> a*xx2*xx2+b*xx2+c ans = e-05 octave:##> a=1; b=100; c=1e-12; octave:##> x1=(-b+sqrt(b*b-4*a*c))/2*a x1 = e-15 octave:##> x2=(-b-sqrt(b*b-4*a*c))/2*a x2 = -100 octave:##> xx1=-2*c/(b+sqrt(b*b-4*a*c)) xx1 = e-14 octave:##> xx2=-2*c/(b-sqrt(b*b-4*a*c)) xx2 = octave:##> a*x1*x1+b*x1+c ans = e-13 octave:##> a*x2*x2+b*x2+c ans = e-12 octave:##> a*xx1*xx1+b*xx1+c ans = 0 octave:##> a*xx2*xx2+b*xx2+c ans =

17 Olvasmány Stoyan G. Numerikus matematika o. Stoyan G. MATLAB könyv, 1-20.o., o. és o. P.J.G. Long: Octave Tutorial, o.