Nemlineáris egyenletrendszerek megoldása április 15.

Hasonló dokumentumok
Numerikus integrálás április 20.

Konjugált gradiens módszer

Eddig csak a polinom x-ben felvett értékét kerestük

Diszkréten mintavételezett függvények

Numerikus módszerek II. zárthelyi dolgozat, megoldások, 2014/15. I. félév, A. csoport. x 2. c = 3 5, s = 4

Numerikus integrálás április 18.

Legkisebb négyzetek módszere, Spline interpoláció

Alap-ötlet: Karl Friedrich Gauss ( ) valószínűségszámítási háttér: Andrej Markov ( )

Feladatok megoldásokkal a 9. gyakorlathoz (Newton-Leibniz formula, közelítő integrálás, az integrálszámítás alkalmazásai 1.

Gauss-Seidel iteráció

2 (j) f(x) dx = 1 arcsin(3x 2) + C. (d) A x + Bx + C 5x (2x 2 + 7) + Hx + I. 2 2x F x + G. x

Vektorok, mátrixok, lineáris egyenletrendszerek

Saj at ert ek-probl em ak febru ar 26.

Optimalizálás alapfeladata Legmeredekebb lejtő Lagrange függvény Log-barrier módszer Büntetőfüggvény módszer 2017/

Numerikus matematika. Irodalom: Stoyan Gisbert, Numerikus matematika mérnököknek és programozóknak, Typotex, Lebegőpontos számok

Numerikus matematika vizsga

Numerikus módszerek 1.

Gépi tanulás a gyakorlatban. Lineáris regresszió

Numerikus módszerek beugró kérdések

Numerikus módszerek 1.

First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit

Lineáris algebra numerikus módszerei

x a x, ha a > 1 x a x, ha 0 < a < 1

Matematika A2 vizsga mgeoldása június 4.

MÉSZÁROS JÓZSEFNÉ, NUMERIKUS MÓDSZEREK

Gauss-Jordan módszer Legkisebb négyzetek módszere, egyenes LNM, polinom LNM, függvény. Lineáris algebra numerikus módszerei

2) = 0 ahol x 1 és x 2 az ax 2 + bx + c = 0 ( a,b, c R és a 0 )

Meghatározás: Olyan egyenlet, amely a független változók mellett tartalmaz egy vagy több függvényt és azok deriváltjait.

Taylor-polinomok. 1. Alapfeladatok április Feladat: Írjuk fel az f(x) = e 2x függvény másodfokú Maclaurinpolinomját!

Gyakorló feladatok. Agbeko Kwami Nutefe és Nagy Noémi

1 Lebegőpontos számábrázolás

6. Függvények. 1. Az alábbi függvények közül melyik szigorúan monoton növekvő a 0;1 intervallumban?

Line aris f uggv enyilleszt es m arcius 19.

Sajátértékek és sajátvektorok. mf1n1a06- mf1n2a06 Csabai István

Matematika A1a Analízis

Modellek és Algoritmusok - 2.ZH Elmélet

2. Zárthelyi megoldásokkal 1998 tavasz I. évf tk.

Függvény határérték összefoglalás

Végeselem modellezés alapjai 1. óra

alakú számot normalizált lebegőpontos számnak nevezik, ha ,, és. ( : mantissza, : mantissza hossza, : karakterisztika) Jelölés: Gépi számhalmaz:

Numerikus matematika

Numerikus integrálás

Matematika elméleti összefoglaló

6. Függvények. Legyen függvény és nem üreshalmaz. A függvényt az f K-ra való kiterjesztésének

12. Mikor nevezünk egy részhalmazt nyíltnak, illetve zártnak a valós számok körében?

6. gyakorlat. Gelle Kitti. Csendes Tibor Somogyi Viktor. London András. jegyzetei alapján

Feladatok megoldásokkal az ötödik gyakorlathoz (Taylor polinom, szöveges szélsőérték problémák)

1. zárthelyi,

A Newton-Raphson iteráció kezdeti értéktől való érzékenysége

Egyenletek, egyenlőtlenségek V.

Differenciálegyenletek numerikus megoldása

A legjobb közeĺıtés itt most azt jelentette, hogy a lineáris

Regresszió. Csorba János. Nagyméretű adathalmazok kezelése március 31.

2. SZÉLSŽÉRTÉKSZÁMÍTÁS. 2.1 A széls érték fogalma, létezése

Feladat: megoldani az alábbi egyenletrendszert: A x = b,

GPK M1 (BME) Interpoláció / 16

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉPSZINT Függvények

1.9. B - SPLINEOK B - SPLINEOK EGZISZTENCIÁJA. numerikus analízis ii. 34. [ a, b] - n legfeljebb n darab gyöke lehet. = r (m 1) n = r m + n 1

Bevezetés az algebrába 2

Határozatlan integrál (2) First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit

Lagrange egyenletek. Úgy a virtuális munka mint a D Alembert-elv gyakorlati alkalmazását

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

Matematika 11 Koordináta geometria. matematika és fizika szakos középiskolai tanár. > o < szeptember 27.

Figyelem, próbálja önállóan megoldani, csak ellenőrzésre használja a következő oldalak megoldásait!

Totális Unimodularitás és LP dualitás. Tapolcai János

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI EMELT SZINT Paraméter

MATEMATIKA 9. osztály Segédanyag 4 óra/hét

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉP SZINT Függvények

Matematika III előadás

Differenciálegyenletek numerikus integrálása április 9.

Függvény differenciálás összefoglalás

Számítógépes geometria (mester kurzus)

Függvények vizsgálata

Függvények december 6. Határozza meg a következő határértékeket! 1. Feladat: x 0 7x 15 x ) = lim. Megoldás: lim. 2. Feladat: lim.

Bevezetés az algebrába 2 Differencia- és differenciálegyenlet-rendszerek

3. Lineáris differenciálegyenletek

Kalkulus I. gyakorlat Fizika BSc I/1.

First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit. (L Hospital szabály, Taylor-polinom,

MATEMATIKA 2. dolgozat megoldása (A csoport)

Gyakorló feladatok I.

Norma Determináns, inverz Kondíciószám Direkt és inverz hibák Lin. egyenletrendszerek A Gauss-módszer. Lineáris algebra numerikus módszerei

A derivált alkalmazásai

2. Hogyan számíthatjuk ki két komplex szám szorzatát, ha azok a+bi alakban, illetve trigonometrikus alakban vannak megadva?

1. Folytonosság. 1. (A) Igaz-e, hogy ha D(f) = R, f folytonos és periodikus, akkor f korlátos és van maximuma és minimuma?

Lineáris Algebra GEMAN 203-B. A három dimenziós tér vektorai, egyenesei, síkjai

Teljes függvényvizsgálat

MODELLEK ÉS ALGORITMUSOK ELŐADÁS

Függvények Megoldások

Feladatok a Gazdasági matematika II. tárgy gyakorlataihoz

Függvények július 13. Határozza meg a következ határértékeket! 1. Feladat: x 0 7x 15 x ) = lim. x 7 x 15 x ) = (2 + 0) = lim.

Robotok inverz geometriája

3. előadás Stabilitás

6. Folytonosság. pontbeli folytonosság, intervallumon való folytonosság, folytonos függvények

Másodfokú egyenletek, egyenlőtlenségek

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Megoldások. 1. Az alábbi hozzárendelések közül melyik függvény? Válaszod indokold!

A fontosabb definíciók

Normák, kondíciószám

Matematika 10 Másodfokú egyenletek. matematika és fizika szakos középiskolai tanár. > o < szeptember 27.

Descartes-féle, derékszögű koordináta-rendszer

Fourier-sorok. Lengyelné Dr. Szilágyi Szilvia április 7.

Átírás:

Nemlineáris egyenletrendszerek megoldása 2014. április 15.

Nemlineáris egyenletrendszerek Az egyenletrendszer a következő formában adott: f i (x 1, x 2,..., x M ) = 0 i = 1...N az f i függvények az x j változókban nem lineárisak egyenletrendszer esetén több függvény gyökét keressük szimultán módon Sokkal nehezebb probléma, mint a lineáris eset. ott az egyenletek lineáris kombinálgatásával lehetett eliminálni lineárisan kombinálni itt is lehet, de nem vezet megoldásra

A megoldás léte A megoldás léte N > M esetben általában nincsen megoldás N M esetben sem garantált ha van megoldás, akkor nem garantált, hogy egyértelmű gyakori, hogy a gyökök nem diszkrétek, egész intervallum gyök lehetnek nem valós gyökök is Inverzfüggvény-tétel ha egy f függvény egy x pontban folytonos, és a deriváltja nem nulla, akkor az x pont egy környezetében invertálható ez általánosítható többdimenziós esetre is N M esetben tudunk mondani valamit a megoldás létére

Mitől jobb egyik vagy másik módszer? Függvénykiértékelések száma minél kevesebb függvénykiértékelés mellett minél pontosabban meg akarjuk határozni a gyököt kovergencia sebessége Stabilitás általában kézzel kell a gyök közeléből indítani garantálja-e valami, hogy ott is marad a közelben nem divergál-e el a végtelenbe

A módszerek általános tulajdonságai Sokat segít, ha nem csak f -et, de a deriváltját is ismerjük jóval gyorsabb algoritmusok Egy változós esetben vannak hatékony módszerek megfelelően jól viselkedő függvényekre a gyököket be lehet keretezni

Iteratív módszerek A nem lineáris módszerek mindig iteratívak kiindulunk valamilyen értékekből ez lehet egy intervallum, amin belül a gyököt sejtjük a gyököt lépésről lépésre közeĺıtjük meg A közeĺıtő módszer következménye a gyököt általában csak közeĺıtőleg kapjuk meg viszont tetszőlegesen kis hibával meghatározhatjuk Nem mindig konvergál el kell tudni dönteni, hogy konvergál-e megfelelő helyről kell kiindulni jó helyre konvergált-e?

Gyök bekeretezése egy dimenzióban Példa gyök bekeretezhetőségére tudjuk, hogy a függvény folytonos a < x < b intervallumon f (a) < 0 és f (b) > 0 létezik gyök az intervallumon

Rosszul viselkedő függvények A bekeretezős módszer nem mindig egyszerű A fő problémát a szinguláris viselkedés okozza a függvény nem folytonos valahol divergál valamelyik deriváltja divergál A gyök léte nem féltetlenül jelent előjelváltást lehet, hogy a gyök minimumhelyen van de a minimumhely nem feltétlen gyök Egy intervallumon belül sok gyök is lehet

Szakaszonként folytonos, divergens függvény

Függvény rosszul viselkedő deriválttal

Gyökök és minimumok konfigurációi

A nem lineáris gyökkeresés a függvény anaĺızisével kezdődik A nem lineáris algoritmusok nem garantáltan jók nincsen globális megoldás mindig valami jó becslés kell a gyökök helyére Iteratív módszerek gyakori problémája ha rossz helyről eldivergál jó kiindulási pontokat kell találni a jó kiindulási pontok megtalálására nincsen algoritmus analitikusan kell kezelni a függvényt Érdemes mindig ábrázolni ha könnyen deriválható, akkor a deriváltakat is vizsgálni

Felezős módszer Kiindulás valamilyen módon sikerült bekeretezni a gyököt adott tehát egy [a, b] intervallum f (a)f (b) < 0, azaz a függvény előjelet vált Iteratív lépés megfelezzük az intervallumot a felezőpont előjele megegyezik valamelyik végpont előjelével az előjelváltó fél intervallumot tartjuk meg

A felezős módszer leállási feltétele A konvergenciához szükséges lépések száma a kiindulási intervallum hossza: ɛ 0 a gyök értékére előírt pontosság: ɛ a módszer az intervallumot felezi, így a lépések száma ɛ 0 n = log 2 ɛ Leállási feltétel ha az intervallum hossza eléri ɛ-t, megállunk gyöknek az intervallum felezőpontját tekintjük

A felezős módszer tulajdonságai Fő előny: a módszer mindig konvergál Fő gondok: csak előjelváltó esetben működik csak egy gyököt talál meg ha a függvénynek szakadása van, és ezért vált előjelet, akkor a módszer nem a gyököt, hanem a szakadási pontot találja meg

A szekáns módszer Kiindulás valamilyen módon megközeĺıtettük a gyököt nem is kell feltétlen bekeretezni egy x 0 és x 1 pontból indulunk Iteratív lépés tekintjük az f (x i 1 ) és f (x i ) értékeket x i 1 és x i között lineárisan interpoláljuk a függvény az x i+1 értéke a lineáris interpoláció gyöke lesz

A szekáns módszer

A szekáns módszer tulajdonságai Gyorsabban konvergál, mint a felezős módszer ott az intervallum mindig a felére csökkent itt a konvergencia sebessége ɛ gyenge hatványával megy lim ɛ i+1 = c ɛ i 1,618 i A módszer nem tartja bekeretezve a gyököt nem csak ott működik, ahol a függvény előjelet vált de ha a gyök lokális minimum környékén van, akkor eltéved akár a végtelenbe is elmehet Akkor működik jól, ha a függvény jól közeĺıthető egyenessel.

A szekáns módszer egy problémája

Regula falsi módszer A módszer az előző kettő kombinációja bekeretezve tartja a gyököt de nem az intervallumot felezgeti, hanem egyenessel metszi az abszcisszát A szekáns módszert így módosítjuk nem a legrégebbi pontot dobjuk el (hiszen így kifuthatnánk az intervallumból) hanem a metszéspont megtalálása utána azt a kettőt tartja meg, amelyeknél a függvény előjele különböző

Regula falsi módszer

A regula falsi módszer algoritmusa Kiindulás valamilyen módon sikerült bekeretezni a gyököt adott tehát egy [a, b] intervallum f (a)f (b) < 0, azaz a függvény előjelet vált Iteratív lépés [a, b]-n lineárisan interpolálunk megkeressük az egyenes és az x-tengely metszéspontját azt az új intervallumot tartjuk meg, ahol f előjelet vált Némileg gyorsabb, mint a felezős módszer

Magasabb rendű módszerek A szekáns módszernél egyenessel interpoláltunk csak kellően sima függvényekre hatékony interpolálhatnánk magasabb rendű függvénnyel is ehhez nem elég az intervallum két végpontja Például: inverz kvadratikus módszer nem kettő, hanem három ponttal dolgozunk ezekre parabolát illesztünk y = ax 2 + bx + c alakban a gyököket a megoldóképlettel határozzuk meg Magasabb rendre nehezen általánosítható nem léteznek megoldóképletek

A belassulást elkerülő módszerek Vannak függvények, ahol az elvileg gyorsabb módszerek lemaradnak pl. a regula falsi lehet lassabb a feleződ módszernél is ilyenkor érdemes a módszereket kombinálni figyeljük a konvergencia sebességét ha lassú, akkor más módszerre váltunk Wijngaarden Dekker Brent-módszer (röviden Brent) alapesetben az inverz kvadratikus módszert használja ha az új pont a kereten kívül esik, vagy a konvergencia túl lassú akkor inkább felezi az intervallumot

A függvény deriváltjának felhasználása Az eddigit módszerek nem használták a függvény deriváltját viszont lehet, hogy az is expliciten adott ekkor gyorsabb módszer lehetséges A Newton Ralphson-módszer egyetlen pontból indulunk meghúzzuk a függvény érintőjét az x tengellyel vett metszet lesz az új pont

A Newton Ralphson-módszer

A Newton Ralphson-módszer tulajdonságai Kellően sima függvény esetén jól működik, ugyanis a gyök körüli Taylor-sorból elég csak az első tagot megtartani f (x + δ) f (x) + f (x)δ + 1 2 f (x)δ 2 +... ezzel a gyöktől való eltérés egy jó közeĺıtése δ f (x) f (x) Belátható, hogy a konvergencia sebessége négyzetes: ɛ i+1 = c ɛ 2 i

Newton Ralphson-módszer: túl lapos függvény

Newton Ralphson-módszer: páratlan függvény

A Newton Ralphson-módszer javítása A Newton Ralphson-módszer gyakran nem konvergál ilyenkor érdemes hibrid módszert választani a Wijngaarden Dekker Brent-módszerhez hasonlóan Egy dimenzióban nem szabad numerikus deriváltat használni több függvénykiértékelést igényel nem elég pontos, így lassítja a konvergenciát a szekáns módszer gyorsabb A Newton Ralphson-módszer lokálisan gyors, de globálisan instabil érdemes ezért más módszerrel bekeretezni a gyököt ha már közel járunk, akkor N R-módszerrel pontosítjuk

Polinomok gyökei Az n-ed rendű polinomnak n gyöke van lehetnek valósak vagy komplexek ha az együtthatók valósak, akkor a gyökök valósak, vagy komplex konjugált párok A gyököket egyesével keressük valamilyen módszerrel egy gyököt megtalálunk: r leosztjuk a polinomot (x r)-rel P i (x) = (x r)p i+1 (x) P i+1 meghatározására létezik egyszerű algoritmus az eggyel alacsonyabb fokú polinom egy gyökét ismét valami elemi algoritmussal keressük

Polinomok gyökeinek megtalálása Problémák: a gyökkeresés nagyon sok lépést igényel felhalmozódnak a numerikus hibák a megtalált gyök, amivel osztunk, sem teljesen pontos Javítási lehetőség megkeressük a gyököket egyenként pontosítjuk őket a Newton Ralphson-módszerrel gyökök poĺırozása Módszerek komplex gyökök megtalálására ld. Numerical Recipes pl. Laguerre-módszer

Gyökök keresése több dimenzióban Több dimenzióban nincsen általánosan jó gyökkereső módszer. a probléma már két függvény esetén is nagyon bonyolult

A többdimenziós módszer vázlata Meg kell határozni valahogyan az f i függvények zéró-kontúrjait a gyökök a kontúrok metszéspontjaiban lesznek de eleve a kontúrok meghatározása is közel lehetetlen Mindenképpen tudnunk kell részleteket is a problémáról hány gyököt várunk ezeket kb. hol várjuk Jobb híján olyan módszert keresünk, ami egy gyököt meg tud találni abban az esetben, ha a gyöktől elég közelről indulunk

Newton Ralphson-módszer több dimenzióban A deriváltat most a teljes Jacobi-mátrix helyettesíti: Ezzel a függvény Taylor-sora J ik = f i x k f(x + δx) = f(x) + Jδx +... Hasonlóan, mint egy dimenzióban keressük azt a δx vektort, ami a gyök irányába lépteti az aktuális legjobb becslést Ehhez a Jδx = f lineáris egyenletrendszert kell megoldani, majd x i+1 = x i + δx