Numerikus módszerek 1.

Numerikus módszerek 1. 3. előadás: Mátrixok LU-felbontása Lócsi Levente ELTE IK 2013. szeptember 23.

Tartalomjegyzék 1 Alsó háromszögmátrixok és Gauss-elimináció 2 Háromszögmátrixokról 3 LU-felbontás Gauss-eliminációval 4 Az LU-felbontás közvetlen kiszámítása

Balról szorzás alsó háromszögmátrixokkal Mi történik, ha az alábbi L R 3 3 mátrixszal megszorzunk egy A R 3 3 mátrixot balról? 1 0 0 2 1 0 0 0 1????????? Az 1. sor kétszeresét hozzáadjuk a 2. sorhoz.

Balról szorzás alsó háromszögmátrixokkal Mi történik, ha az alábbi L R 3 3 mátrixszal megszorzunk egy A R 3 3 mátrixot balról? 1 0 0 2 1 0 3 0 1 Az 1. sor kétszeresét hozzáadjuk a 2. sorhoz, valamint az 1. sor háromszorosát levonjuk a 3. sorból. ( GE)

A Gauss-elimináció lépései mátrixszorzással Írjuk fel a GE k-adik lépését ugyanilyen módszerrel! (A R n n ) 1 L k = 0 (1.).... 1 = I + v l k+1,k 1 k ek, v 0 k = (k.). l k+1,k..... l n,k 1 l n,k (A zérus elemek nincsenek feltüntetve L k -ban.) Tehát ha l i,k = a(k 1) i,k a (k 1) (k = 1,..., n 1; i = k + 1,..., n), k,k akkor L k A (k 1) = A (k), vagyis megkaptuk a GE k-adik lépését.

Példa Példa: GE az L k mátrixokkal Írjuk fel a Gauss-elimináció lépéseit mátrixszorzások segítségével a következő mátrix esetén (ua. mint az előző előadáson)! 2 0 3 A = 4 5 2 6 5 4

A Gauss Jordan-módszer lépései mátrixszorzással Házi feladat Írjuk fel a Gauss Jordan-féle elimináció lépéseit mátrixszorzás formájában!

Elnevezések, jelölések Definíció: alsó háromszögmátrix Az L R n n mátrixot alsó háromszögmátrixnak nevezzük, ha i < j esetén l i,j = 0. (A főátló felett csupa nulla.) L := { L R n n : l i,j = 0 (i < j) }, L 1 := { L R n n : l i,j = 0 (i < j), l i,i = 1 }. Definíció: felső háromszögmátrix Az U R n n mátrixot felső háromszögmátrixnak nevezzük, ha i > j esetén u i,j = 0. (A főátló alatt csupa nulla.) U := { U R n n : u i,j = 0 (i > j) }.

Háromszögmátrixok halmazának zártsága Állítás: háromszögmátrixról 1 Ha L, L L, akkor L L L. 2 Ha U, U U, akkor U U U. 3 Ha L, L L 1, akkor L L L 1. 4 Ha L L és L 1, akkor L 1 L. 5 Ha U U és U 1, akkor U 1 U. 6 Ha L L 1, akkor L 1 és L 1 L 1. Biz.: házi feladat (beadható). Útmutatás: 1. Kell: (L L ) i,j = 0 (i < j), írjuk fel a mátrixszorzást: (L L ) i,j =.... Használjuk ki, hogy L, L L: minden tag kiesik. 2. Hasonlóképp. 3. Határozzuk meg a szorzat főátlóbeli elemeit is. 4., 5., 6. Az inverz Gauss-eliminációval meghatározható.

Az L k mátrixokról Definíció: L k L k = L k (v) := I + ve k Rn n, ahol v R n, v i = 0 (i k) és e k R n a k-adik egységvektor. Állítás: L k inverze Biz.: L k L 1 k Szemléletesen? L 1 k = L k (v) 1 = L k ( v) = I ve k. = (I + vek )(I vek ) = I +vek vek v ek v ek = I. }{{}}{{} 0 0

Az L k mátrixokról Hogyan szorzunk össze két ilyen mátrixot? 1 0 0 0 1 0 0 3 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 2 1 0 2 1 0 0 1 0 1 0 1 1 3 1 0 3 1 1 0 0 2 1 0 1 0 1 1 0 0 2 1 0 7 3 1 A bal oldali sorrendben szépen szorzódik. Általában is.

Az L k mátrixokról Állítás: L k mátrixok szorzata L 1 1 L 1 2 L 1 n 1 = I v 1e 1 v 2 e 2... v n 1 e n 1. Biz.: Indukcióval. L 1 1 L 1 2 = (I v 1 e 1 )(I v 2e 2 ) = I v 1e 1 v 2e 2 +v 1(e 1 v 2)e 2. Tfh. L 1 1 L 1 2 L 1 k = I v 1 e 1 v 2e 2... v ke k. L 1 1 L 1 2 L 1 k L 1 k+1 = = (I v 1 e1 v 2e2... v kek )(I v k+1ek+1 ) = = I v 1 e1 v 2e2... v kek v k+1ek+1 + + v 1 e1 v k+1 ek+1 +...+v k ek v k+1 ek+1 =. }{{} kiesnek

LU-felbontás Definíció: LU-felbontás Az A mátrix LU-felbontásának nevezzük az L U szorzatot, ha A = LU, L L 1, U U.

LU-felbontás Gauss-eliminációval A Gauss-eliminációt felírhatjuk alsó háromszögmátrixok segítségével: L n 1 L 2 L 1 A = U, majd az inverzekkel egyesével átszorozva: A = L 1 1 L 1 2 L 1 n 1 U. }{{} L Az imént láttuk, hogy a fenti szorzat is alsó háromszögmátrix. A = LU.

Példa Példa: LU-felbontás GE-val Készítsük el a példamátrixunk LU-felbontását (a) részletezve az L k mátrixokat, a számítás menetét, (b) majd tömör írásmóddal!

LU-felbontás Gauss-eliminációval Tétel: LU-felbontás létezése Ha a Gauss-elimináció végrehajtható sor és oszlopcsere nélkül, azaz a (k 1) k,k 0 (k = 1,..., n 1), akkor az A mátrix LU-felbontása létezik. Biz.: Láttuk. Összefoglalva: Ha a (k 1) 0, akkor az L k,k k mátrixok felírhatók, a Gauss-elimináció ( előre része) végén felső háromszög alakú mátrixot kapunk. Ez lesz U. Az L k mátrixok inverzének szorzataként pedig adódik L.

LU-felbontás Gauss-eliminációval Definíció: főminorok Az A R n n mátrix A k főminora az A mátrix bal felső k k-as részmátrixa. Tétel: LU-felbontás létezése (A-ra vonatkozó feltétellel) Ha det A k 0 (k = 1,..., n 1), akkor létezik az A mátrix LU-felbontása. Biz.: Belátjuk, hogy ekvivalens az előző feltétellel. A k = L k U k (főminorok). det A k = det L k det U k = 1 u 1,1 u 2,2 u k,k = = a (0) 1,1 a(1) 2,2 a(k 1) k,k. det A k = (det A k 1 ) a (k 1) k,k a (k 1) k,k 0.

LU-felbontás Gauss-eliminációval Tétel: az LU-felbontás egyértelműségéről Ha A-nak létezik LU-felbontása, továbbá det A 0, akkor az LU-felbontás egyértelmű. Biz.: Indirekt, táblán. Meggondoltuk. Megjegyzés: L és U megadása Az eddigieket összefoglalva felírhatjuk az A = LU felbontást: L L 1 és l i,j = a(j 1) i,j a (j 1) j,j (i > j), U U és u i,j = a (i 1) i,j (i j).

Miért jó az LU-felbontás? Tegyük fel, hogy az Ax = b LER megoldható, és rendelkezésünkre áll az A = LU felbontás. Ekkor Ax = L U }{{ x} = b helyett ( 1 3 n3 + O(n 2 )) y 1 oldjuk meg az Ly = b, ( 1 2 n2 + O(n)) 2 majd az Ux = y LER-t. ( 1 2 n2 + O(n)) Persze valamikor elő kell állítani az LU-felbontást. ( 1 3 n3 + O(n 2 )) Előnyös, ha sokszor ugyanaz A.

Az LU-felbontás közvetlen kiszámítása Nem ismerjük L-t és U-t: ismeretlenek a mátrixokban. Viszont szorzatukat ismerjük: LU = A. A egyes elemeit a mátrixszorzás alapján felírva egyenleteket kapunk L és U elemeire. Jó sorrendben felírva az egyenleteket, mindig megkapjuk egy-egy új ismeretlen értékét.

Jó sorrendek 1. 1. 1. 1. 2. 3. 3. 3. 4. 4. 5. 5. 6. 6. 6. 6. sorfolytonosan 1. 3. 5. 7. 2. 3. 5. 7. 2. 4. 5. 7. 2. 4. 6. 7. oszlopfolytonosan 1. 1. 1. 1. 2. 3. 3. 3. 2. 4. 5. 5. 2. 4. 6. 7. parkettaszerűen

Példa Példa: LU-felbontás közvetlenül (a) Készítsük el a példamátrixunk LU-felbontását közvetlenül a mátrixszorzás alapján. (b) Nézzünk egy újabb példát is. (Vigyázat, det B 2 = 0.) 2 0 3 2 2 3 A = 4 5 2, B = 4 4 2 6 5 4 6 5 4

Az LU-felbontás közvetlen kiszámítása Tétel: az LU-felbontás közvetlen kiszámítása Az L és U mátrixok elemei a következő képletekkel számolhatók: i j (felső) i 1 u i,j = a i,j l i,k u k,j, k=1 i > j (alsó) l i,j = 1 a i,j u j,j j 1 k=1 l i,k u k,j. Ha jó sorrendben számolunk, mindig ismert az egész jobb oldal. Biz.: Mátrixszorzás felírása, háromszögmátrix voltuk kihasználása, egy tag leválasztása, kifejezése. Táblán.

Példák Matlab-ban 1 Az LU-felbontás működése kisebb (n 7) mátrixokra, 2 valamint nagyobb mátrixokra (n 50) színkóddal. 3 LER megoldása LU-felbontás segítségével. 4 Sok LER (m 10, 100) megoldása futási idejének összevetése nagyobb mátrixok (n 50, 100, 200) esetén: GE-val valamint az LU-felbontás kihasználásával.