NUMERIKUS MÓDSZEREK (Oktatási segédlet levelez½o hallgatóknak)

Hasonló dokumentumok
2014/2015-ös tanév II. féléves tematika

2010/2011 es tanév II. féléves tematika

Az érintőformula A Simpson formula Gauss-kvadratúrák Hiba utólagos becslése. Numerikus analízis

Gyakorló feladatok. Agbeko Kwami Nutefe és Nagy Noémi

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

Lineáris egyenletrendszerek

Matematika A1a - Analízis elméleti kérdései

Els gyakorlat. vagy más jelöléssel

Vektorok. Vektoron irányított szakaszt értünk.

Numerikus módszerek 2.

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

Néhány szó a mátrixokról

Összeállította: dr. Leitold Adrien egyetemi docens

GAZDASÁGI MATEMATIKA I.

LNM folytonos Az interpoláció Lagrange interpoláció. Lineáris algebra numerikus módszerei

Algebrai struktúrák, mátrixok

2. NUMERIKUS INTEGRÁLÁS

FELVÉTELI VIZSGA, július 15.

Lineáris algebra 2. Filip Ferdinánd december 7. siva.banki.hu/jegyzetek

Kovács Judit ELEKTRO TEC HNIKA-ELEKTRONIKA 137

Numerikus módszerek 1.

Vektortér fogalma vektortér lineáris tér x, y x, y x, y, z x, y x + y) y; 7.)

Ipari matematika 2. gyakorlófeladatok

3. el adás: Determinánsok

5. Logaritmus. I. Nulladik ZH-ban láttuk: 125 -öt kapjunk. A 3 5 -nek a 3. hatványa 5, log. x Mennyi a log kifejezés értéke?

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

Improprius integrálás

Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny 2010/2011 Matematika I. kategória (SZAKKÖZÉPISKOLA) Az 1. forduló feladatainak megoldása

4. Hatványozás, gyökvonás

7. tétel: Elsı- és másodfokú egyenletek és egyenletrendszerek megoldási módszerei

Lineáris algebra LI 1. Lineáris algebra. A diákon megjelenő szövegek és képek csak a szerző (Kocsis Imre, DE MFK) engedélyével használhatók fel!

GPK M1 (BME) Interpoláció / 16

Numerikus módszerek beugró kérdések

Absztrakt vektorterek

Mátrixok 2017 Mátrixok

MATEMATIKA 9. osztály I. HALMAZOK. Számegyenesek, intervallumok

5.2. ábra. A mágnestűk a rúdmágnes erőterében az erővonalak irányát mutatják.

Lineáris algebra numerikus módszerei

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

Matematika III. Fejezetek a numerikus analízisből

OPTIMALIZÁLÁS LAGRANGE-FÉLE MULTIPLIKÁTOR SEGÍTSÉGÉVEL

3. Lineáris differenciálegyenletek

NUMERIKUS MÓDSZEREK I. TÉTELEK

Lineáris leképezések. Wettl Ferenc március 9. Wettl Ferenc Lineáris leképezések március 9. 1 / 31

Kalkulus II. Beugró kérdések és válaszok 2012/2013 as tanév II. félév

Exponenciális és logaritmikus egyenletek, egyenletrendszerek, egyenlôtlenségek

Numerikus módszerek 1.

f (ξ i ) (x i x i 1 )

Összeállította: dr. Leitold Adrien egyetemi docens

Gazdasági matematika I. tanmenet

Diszkrét matematika I., 12. előadás Dr. Takách Géza NyME FMK Informatikai Intézet takach november 30.

Gauss-Seidel iteráció

2. Gauss elimináció. 2.1 Oldjuk meg Gauss-Jordan eliminációval a következő egyenletrendszert:

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

1. függelék. Mátrixszámítási praktikum-i. Mátrixaritmetikai eljárások

Numerikus integrálás. Szakdolgozat. Írta: Pásztor Nikolett Matematika BSc - matematikai elemz szakirány

Lineáris algebra Gyakorló feladatok

Határozott integrál. Newton -Leibniz szabály. alkalmazások. improprius integrál

Vektorok, mátrixok, lineáris egyenletrendszerek

Numerikus matematika vizsga

Improprius integrálás

Heves Megyei Középiskolák Palotás József és Kertész Andor Matematikai Emlékversenye évfolyam (a feladatok megoldása)

ANALÍZIS II. TÉTELBIZONYÍTÁSOK ÍRÁSBELI VIZSGÁRA

VI. Deriválható függvények tulajdonságai

Vektorterek. Wettl Ferenc február 17. Wettl Ferenc Vektorterek február / 27

A Riemann-integrál intervallumon I.

a b a leghosszabb. A lapátlók által meghatározott háromszögben ezzel szemben lesz a

1 Lebegőpontos számábrázolás

1. Mátrixösszeadás és skalárral szorzás

Határozzuk meg, hogy a következő függvényeknek van-e és hol zérushelye, továbbá helyi szélsőértéke és abszolút szélsőértéke (

9. HATÁROZATLAN INTEGRÁL

DIFFERENCIÁLÁS, GRADIENS VEKTOR, HESSE MÁTRIX, LÁNCSZABÁLY,

KIEGÉSZÍTÉS A VONALINTEGRÁLHOZ

Megoldott feladatok november 30. n+3 szigorúan monoton csökken, 5. n+3. lim a n = lim. n+3 = 2n+3 n+4 2n+1

2. előadás. Lineáris algebra numerikus módszerei. Mátrixok Mátrixműveletek Speciális mátrixok, vektorok Norma

Lajk o K aroly Kalkulus II. Debreceni Egyetem Matematikai es Informatikai Int ezet

1. feladat Oldja meg a valós számok halmazán a következő egyenletet: 3. x log3 2

A 2013/2014. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny első forduló MATEMATIKA I. KATEGÓRIA (SZAKKÖZÉPISKOLA) Javítási-értékelési útmutató

GAZDASÁGI MATEMATIKA I.

Gyökvonás. Hatvány, gyök, logaritmus áttekintés

1. feladatsor: Vektorterek, lineáris kombináció, mátrixok, determináns (megoldás)

1. MECHANIKA-MOZGÁSTAN GYAKORLAT (kidolgozta: Szüle Veronika, egy. ts.) Matematikai összefoglaló

Varga Zsolt. Numerikus integrálás

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

1. MECHANIKA-MOZGÁSTAN GYAKORLAT (kidolgozta: Szüle Veronika, egy. ts.) Matematikai összefoglaló

GAZDASÁGI MATEMATIKA I.

Összeállította: dr. Leitold Adrien egyetemi docens

= n 2 = x 2 dx = 3c 2 ( 1 ( 4)). = π 13.1

M. 2. Döntsük el, hogy a következő két szám közül melyik a nagyobb:

Informatika alapjai Tantárgyhoz Kidolgozott Excel feladatok

Minta feladatsor I. rész

Tétel: Ha,, akkor az ábrázolt szám hibája:

Többváltozós analízis gyakorlat

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

Egyenletek, egyenlőtlenségek VII.

A Gauss elimináció M [ ]...

Numerikus integrálás

Legkisebb négyzetek módszere, Spline interpoláció

Lineáris leképezések. 2. Lineáris-e az f : R 2 R 2 f(x, y) = (x + y, x 2 )

A KroneckerCapelli-tételb l következik, hogy egy Bx = 0 homogén lineáris egyenletrendszernek

Átírás:

NUMERIKUS MÓDSZEREK (Okttási segédlet levelez½o hllgtóknk) Glánti Jeney könyve lpján összeállított: Jeney András 004

Trtlomjegyzék 1 A klsszikus hibszámítás elemei 5 11 Az ritmetiki m½uveletek bszolút hibái 5 1 Függvényértékek hibáj 6 13 Az ritmetiki m½uveletek reltív hibái 6 A mátrixszámítás elemei 7 1 Mátrixok és mátrixm½uveletek 7 Mátrixok inverze és determináns 10 3 Vektorok és mátrixok normáj 11 3 Lineáris egyenletrendszerek megoldás 13 31 Lineáris egyenletrendszerek 13 3 Háromszögmátrixú egyenletrendszerek 14 33 A Guss-módszer 15 34 Az LU-felbontás és lklmzás lineáris egyenletrendszerekre 17 35 Lineáris egyenletrendszerek közelít½o megoldás iterációvl 19 4 A sjátérték-feldt 1 41 A htvány módszer 5 Nemlineáris egyenletek közelít½o megoldási módszerei 3 51 Egyváltozós egyenletek megoldás 3 511 Az intervllumfelez½o eljárás 3 51 Egyszer½u iteráció 4 513 A Newton-módszer 4 5 Nemlineáris egyenletrendszerek megoldás Newton-módszerrel 5 6 Függvények közelítése interpolációvl 7 61 A Lgrnge-féle interpolációs feldt 7 7 Numerikus deriválás és integrálás 31 71 Numerikus deriválás 31 7 Numerikus integrálás 3 71 A trpézformul 3 7 A Simpson formul 33 TARTALOMJEGYZÉK 3

8 Függvényközelítés legkisebb négyzetek módszerével 35 81 Diszkrét eset 35 8 Folytonos eset 36 9 Di erenciálegyenletek numerikus megoldás 39 91 Az explicit Euler-módszer 39 9 A negyedrend½u Runge-Kutt módszer 40 4 TARTALOMJEGYZÉK

1 fejezet A klsszikus hibszámítás elemei A klsszikus hibszámítás lpmodellje következ½o A pontos értékeket nem ismerjük, csk dott hibkorlátú közelítéseiket A közelít½o értékekkel pontosn végzett m½uveletek eredményét z ismeretlen elméleti eredmény közelítésének tekintjük és zt vizsgáljuk, hogy mekkor közelítés hibáj Például p 1:41 közelítés hibáj legfeljebb 0:01 A következ½o jelöléseket és elnevezéseket hsználjuk: x pontos érték, z x közelítése ( x), = x közelítés hibáj, z közelít½o érték bszolút hibkorlátj, h fennáll jx j = jj 11 Az ritmetiki m½uveletek bszolút hibái Legyen x és y két pontos érték, z x, b pedig z y közelítése Tegyük fel, hogy z és b közelítések bszolút hibkorláti, ill b Ezekre fennáll, hogy jx j = jj ; jy bj = jbj b: Tétel Igzk következõ becslések: ( + b) + b; (11) ( b) + b: (1) Tétel Fennállnk z lábbi közelít½o egyenl½oségek: (b) jj b + jbj (jj, jbj b) ; (13) (=b) jj b + jbj jbj (b 6= 0, jbj b) : (14) Figyeljük meg, hogy osztás bszolút hibkorlátj 0-hoz közeli b esetén rendkívül ngy lehet! A KLASSZIKUS HIBASZÁMíTÁS ELEMEI 5

1 Függvényértékek hibáj Külön fogllkozunk z egy- és többváltozós esetekkel Legyen f : R! R leglább kétszer folyonosn di erenciálhtó függvény, x Az f(x) helyett f()-t számoljuk Az f() közelítés (f ())hibkorlátjár másodrend½u Tylor-formulából bizonyos elhnygolássl kpjuk, hogy (f ()) jf 0 ()j : (15) Legyen F : R n! R leglább kétszer folytonosn di erenciálhtó függvény, x; R n és x Legyen = x, jx i i j = j i j i (i = 1; : : : ; n) és = [ 1 ; : : : ; n ] T Az F (x) helyett z F () függvényértéket számoljuk, melynek (F ()) hibkorlátj (zz jf (x) F ()j egy fels½o korlátj hsonlón (többváltozós) másodrend½u Tylor-formulából bizonyos elhnygolássl hsonlón dódik: (F ()) nx @F () @x i i (16) 13 Az ritmetiki m½uveletek reltív hibái Az bszolút hib sok esetben semmitmondó Például egy 0:001 ngyságrend½u elméleti mennyiség esetén 0:05 bszolút hibkorlát nem sokt ér A =7 közelítés sok esetben jó lehet, de például csillgásztbn már bizonyosn nem De níció Az x szám közelít½o értékének reltív hibáj mennyiség jxj Az x pontos érték áltlábn nem ismeretes Helyette közelítést hsz- jj náljuk ( + b) j + bj ( b) j bj = mx jj ; b jbj = (b) jbj + b j bj (b > 0) ; (17) (b > 0) ; (18) jj + b jbj ; (19) ( ) b jj + b jbj : (110) b Figyeljük meg, hogy egymáshoz közeli és b esetén kivonás reltív hibáj rendkívül ngy lehet! 6 A KLASSZIKUS HIBASZÁMíTÁS ELEMEI

fejezet A mátrixszámítás elemei 1 Mátrixok és mátrixm½uveletek Röviden összefoglljuk zokt mátrixokkl és vektorokkl kpcsoltos ismereteket, melyekre szükségünk vn De níció Egy A m n típusú (vlós) mátrixon vlós ij számok lábbi tábláztát értjük: 3 11 1 : : : 1j : : : 1n A = i1 i : : : ij : : : in : 6 7 4 5 m1 m : : : mj : : : mn Az ij z A mátrix i-edik sorábn és j-edik oszlopábn álló mátrixelemet jelöli Mátrixok szokásos jelölése még következ½o: 0 1 11 1 : : : 1j : : : 1n A = i1 i : : : ij : : : in : B C @ A m1 m : : : mj : : : mn Néhány tömörebb mátrixmegdási mód: A = [ ij ] m;n i;j=1 ; A = ( ij) m;n i;j=1 : Az n m típusú vlós mátrixok hlmzát R nm jelöli Az A mátrixot négyzetesnek nevezzük, h m = n Ekkor tömör megdási módok következ½oképpen egyszer½usödnek: A = [ ij ] n i;j=1 ; A = ( ij) n i;j=1 : A mátrixok közti fontosbb m½uveleteket z lábbik szerint de niáljuk 1 Összedás: A; B R mn ; C = A + B R mn, c ij = ij + b ij (i = 1; : : : ; m; j = 1; : : : ; n): A MÁTRIXSZÁMíTÁS ELEMEI 7

Az összedásr fennáll, hogy A + B = B + A ; (A + B) + C = A + (B + C): Számml vló szorzás: A R mn, vlós szám, C = A R mn, c ij = ij (i = 1; : : : ; m; j = 1; : : : ; n): A számml vló szorzásr fennáll, hogy (A) = ()A; ( + )A = A + A: Jegyezzük meg, hogy megállpodás szerint A = A 3 Trnszponálás (tükrözés): A R mn, C = A T R nm, c ij = ji (i = 1; : : : ; n; j = 1; : : : ; m): A trnszponálásr fennáll, hogy (A T ) T = A; (A + B) T = A T + B T : Az A mátrixot szimmetrikusnk nevezzük, h A T = A 4 Szorzás: A R mk, B R kn, C = AB R mn, c ij = kx it b tj t=1 (i = 1; : : : ; m; j = 1; : : : ; n): Vegyük észre, hogy szorztmátrix (i; j) index½u elemét úgy kpjuk, hogy z i-edik sort szorozzuk j-edik oszloppl, zz 3 6 c ij = [ i1 ; : : : ; ik ] 4 A mátrixszorzás fontos tuljdonsági következ½ok: b 1j b kj (AB)C = A(BC); 7 5 : A(B + C) = AB + AC; (A + B)C = AC + BC; (AB) T = B T A T : Fontos megjegyezni, hogy szorzás nem kommuttív, tehát AB 6= BA (1) áltlábn! A továbbikbn mátrix és mátrix-vektor m½uveletek felírásánál feltesszük, hogy szerepl½o mátrixok, ill vektorok méretei olynok, hogy lehet½ové teszik z dott m½uveletet De níció Az egyetlen sorból, vgy egyetlen oszlopból álló mátrixot vektornk nevezzük 8 A MÁTRIXSZÁMíTÁS ELEMEI

A sorvektor szokásos megdási módji következ½ok: Az oszlopvektorokt z x = [x 1 ; : : : ; x n ]; x = [x 1 x : : : x n ] : x = 6 4 x 1 x n 3 7 5 R n formábn szoktuk megdni, hol R n z n komponens½u oszlopvektorok hlmz (tkp R n R n1 ) Az R n hlmzt n-dimenziós euklideszi térnek is nevezzük Az oszlopvektorokt meg lehet még dni z x = [x 1 ; : : : ; x n ] T, sorvektorokt pedig z 3 x = 6 4 x 1 x n 7 5 T R n formábn is Az i-edik egységvektor i-edik komponense 1; többi 0: Oszlopvektornk tekintve tehát: e i = [0; : : : ; 0; 1; 0; : : : ; 0] T R n De níció x; y R n skláris szorzt x T y = nx x i y i : A következ½okben speciális tuljdonságú mátrixokt vezetünk be De níció Az I R nn mátrix egységmátrix, h 3 1 0 : : : : : : 0 0 1 I = : 6 4 7 1 0 5 0 : : : : : : 0 1 Az egységmátrixr fennáll, hogy minden A R nn esetén AI = IA = A: De níció A D R nn digonálmátrix, h 1 0 : : : : : : 0 0 D = 6 4 n 1 0 0 : : : : : : 0 n 3 : 7 5 MÁTRIXOK ÉS MÁTRIXM½UVELETEK 9

A digonálmátrixr fennáll, hogy minden A R nm és B R mn esetén 3 3 T 1 6 7 DA = D 4 1 T 1 6 7 5 = 4 5 ; BD = [b 1 ; : : : ; b n ] D = [b 1 1 ; : : : ; b n n ] : T n n T n A D digonálmátrixot dig( 1 ; : : : ; n ), vgy dig( i ) (i = 1; : : : n) is jelölheti De níció Az 0 R mn mátrix zérusmátrix, h 0 minden eleme 0, zz 3 0 : : : 0 6 0 = 4 7 5 : 0 : : : 0 A zérusmátrixr fennáll, hogy minden A mátrix esetén A + 0 = A; A0 = 0: Mátrixok inverze és determináns De níció Az X R nn mátrixot z A R nn mátrix inverzének nevezzük, h AX = XA = I H z inverz mátrix létezik, kkor egyértelm½u Az inverz mátrix jelölése A 1 = X Az inverz mátrixr fennállnk z lábbi tuljdonságok: A 1 1 = A; (AB) 1 = B 1 A 1 ; A T 1 = A 1 T := A T : Jelölje A(i) zt z (n 1) (n 1)-es mátrixot, melyet z 3 11 1 : : : 1n A = i1 i : : : in 6 7 4 5 n1 n : : : nn mátrixból z els½o oszlop és z i-edik sor elhgyásávl kpunk De níció Az A R nn négyzetes mátrix determinánsát det (A) = det (A) = 11 1 1 ; n = nx ( 1) i+1 i1 det(a (i)); n 3: el½oírások de niálják Tétel Az A R nn mátrixnk kkor és csk kkor létezik inverze, h det(a) 6= 0 10 A MÁTRIXSZÁMíTÁS ELEMEI

3 Vektorok és mátrixok normáj De níció Az f : R n! R függvényt vektornormánk nevezzük, h f (x) 0 (8x R n ) ; f (x) = 0, x = 0; () f (x) = jj f(x) (8x R n ; 8 R) ; (3) f (x + y) f (x) + f (y) (8x; y R n ) : (4) A vektornorm szokásos jelölése: kxk = f(x) A fontosbb vektornormák következ½ok: kxk 1 = kxk = nx jx i j ; (5) nx x i! 1 (euklideszi norm); (6) kxk 1 = mx 1in jx ij (mximum norm): (7) De níció Az f : R mn! R függvényt mátrixnormánk nevezzük, h f (A) 0 8A R mn ; f (A) = 0, A = 0; (8) f (A) = jj f(a) 8A R mn ; 8 R ; (9) f (A + B) f (A) + f (B) 8A; B R mn : (10) A mátrixnorm szokásos jelölése: kak = f(a) A leggykrbbn hsznált mátrixnormák következ½ok: kak 1 = mx 1jn mx j ij j (oszlopösszeg norm) ; (11) kak = fa T A legngyobb sjátértékeg 1 (spektrálnorm) ; (1) kak 1 = mx 1im nx j ij j (sorösszeg norm) ; (13) j=1 kak F = mx nx j=1 ij! 1 (Frobenius norm) : (14) VEKTOROK ÉS MÁTRIXOK NORMÁJA 11

1 A MÁTRIXSZÁMíTÁS ELEMEI

3 fejezet Lineáris egyenletrendszerek megoldás 31 Lineáris egyenletrendszerek Lineáris egyenletrendszerek áltlános lkj m egyenlet és n ismeretlen esetén: 11 x 1 + : : : + 1j x j + : : : + 1n x n = b 1 i1 x 1 + : : : + ij x j + : : : + in x n = b i m1 x 1 + : : : + mj x j + : : : + mn x n = b m (31) Az egyenletrendszert megdhtjuk tömörebb formábn, hol Ax = b (3) A = [ ij ] m;n i;j=1 Rmn ; x R n ; b R m : A megoldhtóság szempontjából három eset lehetséges: (i) z egyenletrendszernek nincs megoldás, (ii) z egyenletrendszernek pontosn egy megoldás vn, (iii) z egyenletrendszernek végtelen sok megoldás vn De níció Az f i g k Rm vektorok lineárisn összefügg½ok, h létezik x R k (x 6= 0), hogy kx x i i = 0: (33) H nincs ilyen x 6= 0 vektor, kkor z f i g k vektorokt lineárisn függetlennek nevezzük A megoldhtóság egyik jellemzését megdhtjuk rng foglmávl: r(a) = lineárisn független oszlop- vgy sorvektorok mximális szám (34) LINEÁRIS EGYENLETRENDSZEREK MEGOLDÁSA 13

Legyen [A; b] z mátrix, melyet A-ból úgy kpunk, hogy hozzádjuk (n + 1)- edik oszzlopként jobboldli b vektort A mátrix rngjávl megfoglmzv z Ax = b egyenletrendszer kkor és csk kkor oldhtó meg, h r (A) = r ([A; b]) H r (A) = r ([A; b]) = n, kkor z Ax = b egyenletrendszernek pontosn egy megoldás vn A továbbikbn csk négyzetes egyenletrendszerekkel fogllkozunk Feltesszük tehát, hogy m = n Ismert következ½o Tétel Az Ax = b (A R nn, b R n ) egyenletrendszernek kkor és csk kkor vn pontosn egy megoldás, h létezik A 1 Ekkor megoldás x = A 1 b Tétel Az Ax = 0 (A R nn ) homogén lineáris egyenletrendszernek kkor és csk kkor vn x 6= 0 nemtriviális megoldás, h det (A) = 0 3 Háromszögmátrixú egyenletrendszerek De níció Az A = [ ij ] n i;j=1 mátrix lsó háromszög lkú, h ij = 0 minden i < j esetén Az lsó háromszögmátrixok lkj semtikusn következ½o 3 0 : : : : : : 0 6 7 : 6 4 0 : : : : : : De níció Az A = [ ij ] n i;j=1 mátrix fels½o háromszög lkú, h ij = 0 minden i > j esetén A fels½o háromszögmátrixok lkj: 3 : : : : : : 0 : 6 4 7 5 0 : : : : : : 0 Könnyen igzolhtó, hogy lsó, vgy fels½o háromszögmátrixok esetén det(a) = 11 : : : nn A háromszögmátrixú egyenletrendszerek megoldás igen egyszer½u Tekintsük z 7 5 11 x 1 + : : : + 1i x i + : : : + 1n x n = b 1 ii x i + : : : + in x n = b i nn x n = b n 14 LINEÁRIS EGYENLETRENDSZEREK MEGOLDÁSA

fels½o háromszögmátrixú egyenletrendszert! Az egyenletrendszer kkor és csk kkor oldhtó meg, h 11 6= 0,: : : ; nn 6= 0 A fels½o háromszögmátrixú egyenletrendszer megoldását következ½o ún visszhelyettesít½o lgoritmus dj: x n = b n = nn x i = (b i P n j=i+1 ijx j )= ii (i = n 1; n ; : : : ; 1) Alsóháromszögmátrixú egyenletrendszer megoldás hsonló (35) 33 A Guss-módszer A Guss-féle eliminációs módszer két fázisból áll: I Azonos átlkításokkl z Ax = b egyenletrendszert fels½o háromszög lkúr hozzuk: II A kpott fels½o háromszögmátrixú egyenletrendszert (35) lgoritmussl megoldjuk A fels½o háromszög lkr hozás következ½oképpen történik H 11 6= 0, kkor z 11 ltti x 1 együtthtókt nullává tesszük (kinullázzuk) úgy, hogy z i-edik sorból kivonjuk (i = ; : : : ; n) z els½o sor -szorosát: ( i1 11 )x 1 + ( i 1 )x + : : : + ( in 1n )x n = b i b 1 : (36) Az i1 kinullázását z 11 = 0 feltételb½ol kpjuk, hogy = i1 11 Igy z els½o oszlop 11 ltti = i1 = 11 ij = ij 1j (j = ; : : : ; n) b i = b i b 1 9 = ; (i = ; : : : ; n) (37) lgoritmussl végezhetjük el Vegyük észre, hogy z lgoritmus felülírj z A mátrix i; j n index½u és b vektor i n index½u elemeit ( 0-kt viszont feleslegesen nem írj be z lsó háromszög részbe) A kpott ekvivlens egyenletrendszer lkj: 11 x 1 + 1 x + : : : + 1n x n = b 1 x + : : : + n x n = b : (38) n x + : : : + nn x n = b n Ezt szétbonthtjuk z n ismeretlent trtlmzó els½o egyenletre és z n 1 ismeretlent trtlmzó kisebb (n 1) (n 1)-es egyenletrendszerre H 6= 0, kkor kisebb egyenletrendszeren megismételjük z el½oz½o lépést és így A GAUSS-MÓDSZER 15

tovább Tegyük fel, hogy (k 1)-edik oszlopbn kinullázást már elvégeztük és z 11 x 1 + : : : : : : + 1k x k + : : : + 1n x n = b 1 kk x k + : : : + kn x n = b k ik x k + : : : + in x n = b i nk x k + : : : + nn x n = b n egyenletrendszert kptuk H kk 6= 0, kkor kinullázzuk z kk ltti x k együtthtókt Az i-edik sorból k-dik sort m-szeresét kivonv z ( ik kk )x k + ( i;k+1 k;k+1 )x k+1 + : : : + ( in kn )x n = b i b k (39) egyenlet dódik Az ik kk = 0 feltételb½ol kpjuk, hogy = ik kk A k-dik oszlop kk lttikinullázását tehát 9 = ik = kk = ij = ij kj (j = k + 1; : : : ; n) (i = k + 1; : : : ; n) ; b i = b i b k lgoritmussl végezhetjük el A kinullázást mindddig folytthtjuk, míg z kk 6= 0 és k n 1 feltételek fennállnk H sikerül z A mátrixot fels½o háromszög lkr hozni, kkor Guss-módszer II fázisát, (35) lgoritmust lklmzzuk (visszhelyettesítünk) A Guss-módszer I fázisábn el½ofordulht, mondjuk k-dik lépésben, hogy z kk elem zérus Például 4x + x 3 = 9 x 1 + x + 3x 3 = 6 x 1 x + x 3 = 1 rendszernél ez 11 = 0 Ilyen esetekben z eliminációt csk kkor lehet folyttni, h sorok felcserélésével el tudjuk érni, hogy z kk helyére zérustól különböz½o elem kerüljön H ilyen elem nincs, zz z kk ltti elemek is mind zérusok, kkor z [ ij ] n;k i;j=1 részmátrix oszlopi lineárisn összefügg½ok, tehát A szinguláris A fenti példábn z els½o és hrmdik sor felcserélésével kpjuk, hogy x 1 x + x 3 = 1 x 1 + x + 3x 3 = 6 4x + x 3 = 9 Az kk elemet k-dik pivot, vgy f½oelemnek nevezzük A sorok felcserélését úgy, hogy z új pivot elem zérustól különböz½o legyen, pivotálási, vgy f½oelemkiválsztási eljárásnk nevezzük A pivot elem megválsztás ngymértékben befolyásolj z eredmények megbízhtóságát 16 LINEÁRIS EGYENLETRENDSZEREK MEGOLDÁSA

Részleges f½oelemkiválsztás: A k-dik lépésben k-dik oszlop jk (k j n) elemei közül kiválsztjuk mximális bszolút érték½ut H ennek indexe i, kkor k-dik és z i-edik sort felcseréljük A pivotálás után teljesül, hogy j kk j = mx kin j ikj : Teljes f½oelemkiválsztás: A k-dik lépésben z ij (k i; j n) mátrixelemek közül kiválsztjuk mximális bszolút érték½ut H ennek indexe (i; j), kkor k-dik és z i-edik sort, vlmint k-dik oszlopot és j-edik oszlopot felcseréljük A pivotálás után teljesül, hogy j kk j = mx ki;jn j ijj : Megjegyezzük, hogy oszlopcsere esetén változócsere is történik A f½oelemkiválsztásos Guss-módszer esetén z I fázis minden lépésében pivotálást hjtunk végre A teljes f½oelemkiválsztást biztonságos strtégiánk tekintjük A részleges f½oelemkiválsztás egyéb technikákkl kiegészítve ugyncsk biztonságosnk tekinthet½o A részleges f½oelemkiválsztás lényegesen kevesebb extr ritmetiki m½uveletet igényel mint teljes f½oelemkiválsztás Ezért gykorltbn inkább ezt hsználjuk 34 Az LU-felbontás és lklmzás lineáris egyenletrendszerekre De níció Az A R nn mátrix LU-felbontásán mátrix A = LU szorztlkbn történ½o felbontását értjük, hol L R nn lsó, U R nn pedig fels½o háromszögmátrix H L egység lsó háromszögmátrix (f½odigonálisábn minden elem 1), kkor z LU felbontás egyértelm½u Legyen 3 A (r) = 6 4 11 : : : 1r r1 : : : rr 7 5 (r = 1; : : : ; n 1) : Az A (r) mátrix z A mátrix r-edik f½ominor mátrix Tétel Egy A R nn nemszinguláris mátrixnk kkor és csk kkor létezik LU-felbontás, h det A (r) 6= 0 (i = 1; : : : ; n 1): (310) Legyen A (0) = A; b (0) = b: A pivotálás nélküli Guss-elimináció els½o fázisábn (mennyiben z végrehjthtó) egy A (0) = b (0)! A (1) = b (1)! : : :! A (n 1) (n 1) = b AZ LU-FELBONTÁS ÉS ALKALMAZÁSA LINEÁRIS EGYENLETRENDSZEREKRE 17

ekvivlens egyenletsoroztot képezünk, hol h i n A (k) = Fennáll, hogy A (n 1) = 6 4 (k) ij i;j=1 (0) 11 (0) 1 : : : (0) 1n 0 (1) : : : (1) n 0 0 : : : : (n 1) nn (k 1) H z A mátrix nemszinguláris és létezik LU-felbontás, úgy kk 6= 0; (k = 1; ; : : : ; n) Amennyiben zérusokt nem írjuk be, hnem otthgyjuk már ottlév½o értéket, kkor utoljár z ~A (n 1) = 6 4 3 7 5 (0) 11 (0) 1 : : : (0) 1;n 1 (0) 1n (0) 1 (1) : : : (1) ;n 1 (1) n (1) 3 (0) n1 (1) n : : : (n ) n 1;n 1 (n ) (n 1) n;n 1 nn tábláztot kpjuk Kimutthtó, hogy z A mátrix LU-felbontásábn U = 6 4 (0) 11 (0) 1 : : : (0) 1n 0 (1) : : : (1) n 0 0 : : : (n 1) nn vlmint 3 1 0 : : : 0 (0) 1 = (0) 11 (0) 31 = (0) 11 1 L = (1) k+1;k 6 =(1) kk 7 4 1 0 5 (0) n1 = (0) 11 : : : (1) nk =(1) (n ) (n ) kk : : : n;n 1= n 1;n 1 1 Összegezve: Guss-módszer z I fázisbn el½oállítj z A mátrix LUfelbontását, illetve z ekvivlens 3 7 5 ; 3 ; 7 5 Ux = L 1 b (311) egyenletrendszert A felbontás U tényez½oje közvetlenül megjelenik z utolsó táblázt fels½o háromszög részében, z L tényez½ot pedig z lsó háromszög részb½ol úgy kpjuk, hogy f½oátlóbeli elemekkel végigosztjuk z oszlopokt Tehát Guss-módszer z A = LU speciális szorztfelbontáson (fktorizáción) lpul 18 LINEÁRIS EGYENLETRENDSZEREK MEGOLDÁSA

Megjegyzés: H z eljárás során f½oelemkiválsztást kell végrehjtni, kkor Guss-módszer P A mátrix LU-felbontását dj meg, hol P permutáció mátrix (zz P A z A-ból sorok permutációjávl áll el½o) AZ LU-MÓDSZER ALGORITMUSA: 1 Htározzuk meg z A = LU felbontást! Oldjuk meg z Ly = b egyenletrendszert! 3 Oldjuk meg z Ux = y egyenletrendszert! Az eljárás z eredeti Guss-módszerhez képest egy extr lsó háromszögmátrixú egyenletrendszer megoldását is megköveteli Az eljárás kkor el½onyös, h egynél több Ax = b 1 ; Ax = b ; : : : lkú egyenletrendszert kell megoldni közös A együtthtómátrixszl Ekkor elég z A mátrix LU-felbontását egyszer meghtározni 35 Lineáris egyenletrendszerek közelít½o megoldás iterációvl Alkítsuk át z Ax = b egyenletrendszert vele ekvivlens x = Bx+c lkúr Ez sokféleképpen lehetséges, pl úgy, hogy i-edik egyenletb½ol kifejezzük z x i ismeretlent (i = 1; ; : : : ; n): zz x 1 = (b 1 1 x 13 x 3 : : : 1n x n )= 11 x = (b 1 x 1 3 x 3 : : : n x n )= x n = (b n n1 x 1 n x : : : n;n 1 x n 1 )= nn ; (31) c 1 = b 1 = 11 c = b = c n = b n = nn ; B = 0 1 = 11 13 = 11 : : : 1n = 11 1 = 0 3 = : : : n = n1 = nn n = : : : 0 Legyen x (0) R n vlmilyen kezdeti vektor Tekintsük z (313) soroztot x (1) = Bx (0) + c x () = Bx (1) + c x (k) = Bx (k 1) + c LINEÁRIS EGYENLETRENDSZEREK KÖZELíT ½O MEGOLDÁSA ITERÁCIÓVAL 19

Tétel H kbk 1 < 1 kkor z x (0) ; x (1) ; : : : ; x (k) : : : sorozt bármely x (0) R n esetén z egyenletrendszer x megoldásához konvergál; k-dik iterált hibájár érvényes z lábbi becslés: x x (k) 1 kbk 1 1 kbk 1 x (k) x (k 1) 1 : Megjegyzés: Az említett átlkítássl kbk 1 < 1 kkor és csk kkor teljesül, h j ii j > nx j ij j ; (i = 1; ; : : : ; n) j=1 j6=i Ekkor zt mondjuk, hogy mátrix digonálisn domináns 0 LINEÁRIS EGYENLETRENDSZEREK MEGOLDÁSA

4 fejezet A sjátérték-feldt A mátrixok sjátérték-feldtánk megfoglmzásához szükségünk vn komplex elem½u mátrixok és vektorok bevezetésére A komplex elem½u n-dimenziós oszlopvektorokt C n -el jelöljük Hsonlóképpen z m n típusú komplex elem½u mátrixok hlmzát C mn jelöli Nyilvánvlón fennáll, hogy R n C n és R mn C mn De níció Legyen A n n vlós, vgy komplex mátrix A C számot z A mátrix sjátértékének, z x C n (x 6= 0) vektort pedig sjátértékhez trtozó sjátvektornk nevezzük, h Ax = x: (41) A sjátvektor egy olyn vektor, melyet z x! Ax leképezés sját htásvonlán hgy (irányítás, ngyság változht) A sjátérték-feldt megoldás sjátértékek és hozzájuk trtozó sjátvektorok meghtározását jelenti Egy x sjátvektor t-szerese is sjátvektor t 6= 0 esetén, ui A(tx) = tax = tx = (tx) Az Ax = x egyenletrendszer átrendezéssel z ekvivlens (A I)x = 0 lkr hozhtó Ennek homogén egyenletrendszernek kkor és csk kkor vn zérustól különböz½o megoldás, h det(a I) = 0 A () = det(a 0 31 11 1 : : : 1n 1 : : : n I) = det B6 @ 4 7C 5A = 0 (4) n1 n : : : nn egyenletet z A mátrix krkterisztikus egyenletének nevezzük A determinánst kifejtve változó n-ed fokú polinomját kpjuk, z lgebr lptétele mitt tehát z A n n mátrixnk multiplicitásokt is beleszámítv pontosn n sjátértéke vn Egy k sjátértékhez trtozó lineárisn független sjátvektorok szám legfeljebb nnyi, mint k multiplicitás () = 0 krkterisztikus egyenletben Különböz½o sjátértékekhez trtozó sjátvektorok lineárisn függetlenek El½ofordulht, hogy egy vlós együtthtós mátrixnk komplex sjátértékei és sjátvektori vnnk Vlós ritmetik esetén ezeket csk speciális technikákkl kphtjuk meg Az összes sjátérték és sjátvektor meghtározás elvileg sem könny½u feldt A SAJÁTÉRTÉK-FELADAT 1

41 A htvány módszer Nevezzük legngyobb bszolút érték½u sjátértéket domináns sjátértéknek Indexeljük sjátértékeket úgy, hogy j 1 j > j j : : : j n jteljesüljön A von Mieses-t½ol szármzó módszer lpgondolt következ½o Tegyük fel, hogy z A nn típusú vlós mátrixnk csk vlós sjátértéke vn Legyen v (0) R n dott! Képezzük v (k) = Av (k 1) = A k v (0) (k = 1; ; : : :) soroztot! (Innen ered htványmódszer elnevezés) Megmutthtó, hogy bizonyos feltételek esetén v (k) és v (k 1) vektorok (zz két szomszédos közelítés) megfelel½o komponenseinek hánydos 1 (zz domináns) sjárértékhez trt, v (k) sorozt pedig 1 -hez trtozó sjátvektorhoz H j 1 j > 1, kkor v (k) komponensei gyorsn n½onek bszolút értékben, j 1 j < 1 esetben pedig gyorsn zérushoz trtnk Ezért id½onként (legjobb minden lépésben) célszer½u normálni A htványmódszer lgoritmus (v (0) R n, y R n ): Hjtsuk végre z lábbikt k = 1; ; : : : értékekre: z (k) (k 1) = Av v (k) = z (k) = z (k) 1 Megmutthtó, hogy lklms feltételek mellett z (k) 1! j 1 j és v (k)! 1 -hez trtozó sjátvektorhoz Az eljárás j = 1 j ngyságrendt½ol függ½o konvergenci sebességgel rendelkezik Er½osen érzékeny v (0) kezd½ovektor megválsztásár is Komplex sjátértékek, illetve többszörös 1 esetén z eljárást módosítni kell A htványmódszert, mely igen el½onyös lehet ngyméret½u ritk mátrixok esetén, leginkább legngyobb, ill legkisebb bszolút érték½u sjátértékek meghtározásár hsználjuk Ez utóbbi következ½oképpen történhet Az A 1 sjátértékei: 1 1 ; : : : ; 1 n Ezek közül legngyobb bszolút érték½u sjátérték 1 n lesz, ezért lklmzv htványmódszert A 1 -re megkpjuk n reciprokát Végül megjegyezzük, hogy rngszámcsökkent½o eljárásokkl és egyéb módosításokkl, Mieses eljárás lklmssá tehet½o z összes sjátérték-sjátvektor meghtározásár is A SAJÁTÉRTÉK-FELADAT

5 fejezet Nemlineáris egyenletek közelít½o megoldási módszerei 51 Egyváltozós egyenletek megoldás Az f (x) = 0 (f : R! R) lkú vlós egyenletek megoldását vizsgáljuk Három módszert ismertetünk 511 Az intervllumfelez½o eljárás Tegyük fel, hogy f : R! R folytonos z [; b] intervllumon és fennáll, hogy f()f(b) < 0: (51) Ekkor Bolzno-tétel mitt z f (x) = 0 egyenletnek vn leglább egy x (; b) gyöke Ezt Bolzno tétel bizonyításából ismert eljárássl kphtjuk meg Legyen c = ( + b) = és vizsgáljuk z f (c) értékét H f () f (c) < 0, kkor z [; c] intervllumbn vn gyök Egyébként [c; b] intervllum trtlmz gyököt Az új intervllumot újr megfelezzük és így tovább Az egymásb sktulyázott zárt intervllumok ráhúzódnk z egyenlet egy gyökére Algoritmikus formábn z eljárás következ½o: Az intervllum felez½o lgoritmus: Input [ 1 ; b 1 ] = [; b] Hjtsuk végre (I), (II), (III)-t i = 1; ; : : : re Stop feltételig: (I) x i = i+b i (II) h b i i < ", kkor Stop (III) h f( i )f(x i ) < 0, kkor i+1 = i ; b i+1 = x i ; egyébként i+1 = x i ; b i+1 = b i Az el½oírt pontosság ", ugynis nyilvánvló z lábbi becslés: jx x i j b i i = b i (i = 1; ; : : :): (5) NEMLINEÁRIS EGYENLETEK KÖZELíT ½O MEGOLDÁSI MÓDSZEREI 3

Itt x i x és z lgoritmust Stop feltétele kkor állitj le, h z x i közelítés hibáj kisebb mint egy el½ore megdott " > 0 hibkorlát Megjegyezzük, hogy módszer konvergenciáj csk folytonos f (x) esetén áll fenn 51 Egyszer½u iteráció A módszert z f (x) = x g (x) = 0 lkú, vgy ilyen lkr hozhtó egyenletek esetén lklmzzuk Az f (x) = 0 egyenlet ekvivlens z x = g (x) (53) egyenlettel Legyen x 0 R egy kezdeti közelítés és tekintsük z lábbi soroztot: x1 = g(x 0 ) x = g(x 1 ) x i = g(x i 1 ) Tétel H g(x) folytonosn di erenciálhtó [; b] -n, mégpedig g 0 (x) q < 1 korláttl, továbbá g(x) b minden x [; b] esetén, kkor z x = g(x) egyenletnek pontosn egy x gyöke vn [; b] -n és z x i sorozt htárértéke éppen ez z x Igz továbbá z lábbi hibbecslés: jx i x j q 1 q jx i x i 1 j (i = 1; ; : : :): (54) A tételben szerepl½o hibbecslést hsználjuk fel kilépési feltételhez 513 A Newton-módszer Tegyük fel, hogy f : R! R folytonosn di erenciálhtó A módszer lényege, hogy z x i 1 pontbn függvényhez érint½ot húzunk és ennek z érint½onek zérushelye dj meg keresett gyök i-edik közelítését, zz x i -t Az érint½o iránytngense f 0 (x i 1 ) és egyenlete Az y = 0 egyenlet megoldás: y f(x i ) = f 0 (x i )(x x i ): (55) x i = x i 1 f(x i 1 ) f 0 (x i 1 ) ; (56) feltéve, hogy f 0 (x i 1 ) 6= 0 A Newton módszer tehát következ½o: Adott egy x 0 R kezdeti közelítés és képezzük z f(x i 1 ) x i = x i (i = 1; ; : : :) (57) f 0 (x i 1 ) 4 NEMLINEÁRIS EGYENLETEK KÖZELíT ½O MEGOLDÁSI MÓDSZEREI

soroztot Vegyük észre, hogy Newton-módszer tkp z x = x f (x) =f 0 (x) = g(x) egyenletre lklmzott iterációs eljárás A Newton-módszer konvergenciájár vontkozik z lábbi Tétel Legyen f : [; b]! R kétszer folytonosn di erenciálhtó, jf 00 (x)j M és jf 0 (x)j m > 0 (x [; b]) H z f()f(b) < 0; vlmint f 0 (x); f 00 (x) 6= 0 z [; b] intervllumbn, kkor pontosn egy x vn z intervllumbn, továbbá x 0 =, vgy x 0 = b válsztássl x i! x (i! +1) és jx i x j M m jx i x i 1 j (i = 1; ; : : :): (58) x 0 -r z f(x 0 )f 00 (x 0 ) > 0 feltételnek kell teljesülni Azt mondjuk, hogy Newton-módszer konvergenciáj lokális, mert z x 1 kezdeti közelítésnek z x gyök közelében kell lennie 5 Nemlineáris egyenletrendszerek megoldás Newton-módszerrel Az f(x) = 0 (x R n ) egyenletrendszer lkj koordinátás lkbn f 1 (x 1 ; x ; : : : ; x n ) = 0 f n (x 1 ; x ; : : : ; x n ) = 0: Az x i = [x (i) 1 ; x (i) ; : : : ; x (i) n ] T függvényt (k = 1; : : : ; n): R n pontbn linerizáljuk z f k (x) koordinát f 1 (x) f 1 (x i ) + rf 1 (x i ) T (x x i ) f n (x) f 1 (x i ) + rf n (x i ) T (x x i ): Az f(x) = 0 egyenletrendszer megoldás helyett keressük linerizált egyenletrendszer f 1 (x i ) + rf 1 (x i ) T (x x i ) = 0 f 1 (x i ) + rf n (x i ) T (x x i ) = 0 (59) közös megoldását, mely z x i+1 új közelítést de niálj Vegyük észre, hogy z y = f k (x i ) + rf k (x i ) T (x x i ) egyenlet tkp z y = f k (x) függvény érint½osíkj z x i pontbn H bevezetjük z 3 n rf 1 (x i ) T @fi (x) 6 7 J(x) = = 4 @x 5 (510) j i;j=1 rf n (x i ) T NEMLINEÁRIS EGYENLETRENDSZEREK MEGOLDÁSA NEWTON-MÓDSZERREL 5

jelölést (J(x) z f(x) függvény Jcobi-mátrix), kkor linerizált egyenletrendszer átmegy tömörebb f(x i ) + J(x i )(x x i ) = 0 (511) lkb, melynek megoldás dj Newton-módszert: x i+1 = x i [J(x i )] 1 f(x i ) (i = 1; : : :): (51) A gykorltbn soh nem invertáljuk J(x i ) Jcobi-mátrixot Helyette lineáris egyenletrendszer lkot oldjuk meg Az itt hsználhtó kilépési feltételek: (A) kf(x i )k " 1 (B) kx i+1 x i k " (C) i = i mx feltételek és ezek kombinációi Az eljárás konvergenciáj lklms feltételek esetén lokális és másodrend½u 6 NEMLINEÁRIS EGYENLETEK KÖZELíT ½O MEGOLDÁSI MÓDSZEREI

6 fejezet Függvények közelítése interpolációvl Az interpoláció feldtát következ½oképpen foglmzhtjuk meg egy y = f (x) (f : R! R) függvény Ismerjük pontokbn felvett értékeit, z x 1 < x < : : : < x n b (61) y i = f(x i ) (i = 1; : : : ; n) (6) függvényértékeket Az f (x) függvényt, mely lehet ismert, vgy kár ismeretlen is, egy olyn, áltlábn könnyen számíthtó h (x) függvénnyel közelítjük (tkp helyettesítjük), melyre fennáll, z y i = h (x i ) (i = 1; : : : ; n) interpolációs feltétel: Az fx i g n pontokt interpolációs lppontoknk nevezzük Az interpolációs feltétel teljesülése esetén zt reméljük, hogy h (x) interpoláló függvény z (x i ; x i+1 ) intervllumokbn jól közelíti z f(x) függvényt H f(x)-et h(x) függvénnyel z (x 1 ; x n ) intervllumon kívül közelítjük, kkor extrpolációról beszélünk A h(x) függvény megválsztásától függ½oen beszélünk különböz½o típusú interpolációkról Itt csk z egyik legfontosbbt tárgyljuk 61 A Lgrnge-féle interpolációs feldt A feldt szokásos megfoglmzás következ½o Adottk z x 1 < x < : : : < x n lppontok és z y i = f(x i ) (i = 1; : : : ; n) függvényértékek Htározzuk meg zt legfeljebb (n 1)-edfokú polinomot, melyre teljesül p(x) = 0 + 1 x + : : : + n 1 x n 1 (63) y i = p(x i ) (i = 1; : : : ; n) (64) FÜGGVÉNYEK KÖZELíTÉSE INTERPOLÁCIÓVAL 7

interpolációs feltétel A Lgrnge-féle interpolációs polinom létezése és egyértelm½usége könnyen beláthtó A polinom többféle ekvivlens lkbn is felírhtó Különösen fontos zonbn Lgrnge-féle el½oállítás Legyen l i (x) = ny k=1;k6=i x x k (i = 1; : : : ; n) (65) x i x k z i-edik Lgrnge-féle lppolinom Ekkor z interpolációs polinom el½oáll p(x) = nx y i l i (x) (66) lkbn Ennek igzolásár vegyük észre, hogy 1; i = j l i (x j ) = 0; i 6= j (67) és p(x j ) = nx y i l i (x j ) = y j l j (x j ) = y j (j = 1; : : : ; n): (68) A Lgrnge-féle interpolációs polinom hibájár vontkozik következ½o Tétel (Cuchy) H f C n [; b], [x 1 ; x n ] [; b] és x [; b], kkor f(x) p(x) = f (n) ( x ) (x x 1 )(x x ) : : : (x x n ); n! hol x = (x) z x és z x 1 ; x n pontok áltl kifeszített intervllumbn vn Következmény H f (n) (x) Mn (x [; b]), kkor jf(x) p(x)j M n n! (b )n : (69) Az interpolációs eljárásoktól elvárjuk, hogy pontok számánk növelése esetén közelítés hibáj csökken Ez zonbn nem minden esetben vn így A Lgrnge-féle interpolációs polinom másképpen is szármztthtó Tekintsük következ½o függvényrendszert: 1 (x) = 1; (x) = x; : : : ; n (x) = x n 1 (610) A Lgrnge-féle interpolációs függvény lkj h(x) = 1 1 (x) + (x) + : : : + n n (x) = nx i i (x): (611) Az ismeretlen 1 ; : : : ; n együtthtókt z interpolációs feltételb½ol htározhtjuk meg Ekkor teljesülnie kell z lábbi n feltételnek 1 1 (x 1 ) + (x 1 ) + : : : + n n (x 1 ) = f(x 1 ); 1 1 (x n ) + (x n ) + : : : + n n (x n ) = f(x n ); (61) 8 FÜGGVÉNYEK KÖZELíTÉSE INTERPOLÁCIÓVAL

mely lineáris egyenletrendszer z ismeretlen 1 ; : : : ; n együtthtókr nézve Legyen 3 1 x 1 : : : x n 1 1 és B = [ j (x i )] n i;j=1 = A fenti feltétel tömör lkbn 6 4 1 x n : : : x n n 1 7 5 (613) = [ 1 ; : : : ; n ] T ; c = [f (x 1 ) ; : : : ; f (x n )] T : (614) B = c: (615) H det(b) 6= 0, kkor z egyenletrendszernek pontosn egy megoldás vn: = B 1 c A gykorltbn másféle f i (x)g n lpfüggvényeket is lklmznk, de nem minden f i (x)g n függvényrendszer és x 1 < x < : : : < x n lppontrendszer esetén vn megoldás lineáris interpolációs feldtnk A LAGRANGE-FÉLE INTERPOLÁCIÓS FELADAT 9

30 FÜGGVÉNYEK KÖZELíTÉSE INTERPOLÁCIÓVAL

7 fejezet Numerikus deriválás és integrálás 71 Numerikus deriválás A numerikus deriválás lpproblémáj z f : R! R függvény deriváltjánk kiszámítás egy, vgy több dott pontbn A problém kézenfekv½o megoldás z, hogy z f(x) függvényt egy h(x) függvénnyel (pl interpolációvl) közelítjük és z f 0 (x) közelítésének közelít½o függvény h 0 (x) deriváltját tekintjük Semtikusn: h f(x) h(x), kkor f 0 (x) h 0 (x) és áltlábn f (j) (x) h (j) (x) A Lgrnge-interpoláció lpján z f (x) függény x-pontbeli j-edik deriváltjánk közelítését z f (j) (x) p (j) (x) = nx összefüggés dj meg Legyen n = k + 1, z lppontok pedig legyenek y i l (j) i (x) (71) x kh; : : : ; x h; x; x + h; : : : ; x + kh: (7) H p (x) z f (x) függvényt ezen pontokbn interpoláló Lgrnge-polinom, kkor igz, hogy jf 0 (x) p 0 (x)j < hol K z f (k+1) (x) korlátj z [x Az n = 3 esetben z k k Kh k (k + 1) ; (73) kh; x + kh] intervllumon f 0 (x) 1 [f (x + h) f (x h)] ; (74) h A di erenci hánydosok lklmzás közelít½o deriválás legelterjedtebb módszere Legcélszer½ubben Tylor-sorfejtés felhsználásávl vezethetünk le közelít½o formulákt Tegyük fel, hogy f C és írjuk fel f(x) másodfokú Tylor-polinomját: f(x + h) = f(x) + hf 0 (x) + h f 00 () (x < < x + h): NUMERIKUS DERIVÁLÁS ÉS INTEGRÁLÁS 31

Egyszer½u számolássl dódik, hogy f(x + h) h f(x) = f 0 (x) + h f 00 (); honnn f 0 f(x + h) (x) f(x) h közelítést kpjuk Ennél pontosbb közelítést kphtunk, h f C 3 : f 0 f(x + h) f(x h) (x) h A második derivált ismert közelítései z (75) (76) f 00 (x) 1 (f (x) f (x + h) + f (x + h)) (77) h és z f 00 f(x + h) f(x) + f(x h) (x) ; (78) h képletek Közelít½o prciális di erenci hánydosokt hsonló módon vezethetünk le 7 Numerikus integrálás Numerikus integrálást áltlábn kkor végzünk, h: - primitív függvény nem ismert, vgy nem állíthtó el½o könnyen, - z f(x) függvénynek csk véges sok értéke ismert A numerikus eljárások lpötlete következ½o: f(x) h(x) ) Z b f(x)dx Z b h(x)dx: (79) 71 A trpézformul Legyen x 1 = és x = b A két pontr támszkodó els½ofokú Lgrnge-féle interpolációs polinom melynek htározott integrálj p(x) = f(x 1 ) x x x 1 x + f(x ) x x 1 x x 1 ; (710) R b p(x)dx = R x x 1 p(x)dx = i hf(x 1 ) (x x ) + f(x (x 1 x ) ) (x x 1) x (x x 1 ) x 1 = x x 1 [f(x 1 ) + f(x )] : (711) 3 NUMERIKUS DERIVÁLÁS ÉS INTEGRÁLÁS

Ez tkp egy trpéz területe A közelítés hibájár fennáll, hogy Z b b f(x)dx [f() + f(b)] M 1 (b )3 : (71) H z [; b] intervllumot felbontjuk z = x 1 < x < : : : < x n+1 = b (713) pontokkl n részintervllumr, kkor z összetett trpézformul következ½o: Z b f(x)dx T n (f) = nx x i+1 x i [f(x i ) + f(x i+1 )] : (714) A képlet hibájár f C [; b] esetén fennáll, hogy Z b nx x i+1 x i f(x)dx [f(x i ) + f(x i+1 )] M 1 nx (x i+1 x i ) 3 : (715) H z lppontok ekvidisztnsk, zz x i = x 1 + (i 1)h (h = b, i = n 1; : : : ; n + 1), kkor képlet lkj egyszer½usödik: Z " # b f(x)dx T n (f) = h nx f(x 1 ) + f(x i ) + f(x n+1 ) : (716) A képlet hibájár pedig nh = b mitt fennáll, hogy Z b f(x)dx T n (f) M (b )h = M (b ) 3 : (717) 1 1n H z integrálközelítését z intervllum n részre osztásávl is (zz T n (f) -et is) meg tudjuk htározni, kkor gykorltbn rendszerint lklmzhtjuk következ½o becslést: Z b f(x)dx T n (f) jt n T n j : (718) i= 7 A Simpson formul Legyen x 1 = ; x = +b és x 3 = b Tekintsük három pontr támszkodó másodfokú Lgrnge-féle interpolációs polinomot: p(x) = = f(x 1 ) (x x )(x x 3 ) + f(x (x 1 x )(x x 3 ) ) (x x 1)(x x 3 ) + f(x (x x 1 )(x x 3 ) 3) (x x 1)(x x ) (x 3 x 1 )(x 3 x ) (719) Ennek z [; b] intervllumon vett integrálj dj következ½o közelít½o formulát Z b f(x)dx b f() + 4f( + b 6 ) + f(b) ; (70) NUMERIKUS INTEGRÁLÁS 33

melynek hibájár f C 4 [; b] esetén fennáll, hogy Z b f(x)dx b 6 H z [; b] intervllumot itt is felbontjuk z f() + 4f( + b ) + f(b) (b ) 5 M 4 880 : (71) = x 1 < x < : : : < x n+1 = b pontokkl n részintervllumr, kkor z összetett Simpson formul következ½o: Z b f(x)dx S n (f) = nx x i+1 6 x i f(x i ) + 4f( x i + x i+1 ) + f(x i+1 ) : Ennek hibájár fennáll, hogy Z b f(x)dx S n (f) M 4 880 nx (x i+1 x i ) 5 : H z lppontok ekvidisztnsk, zz x i = x 1 + (i 1)h (h = b, i = n 1; : : : ; n + 1), kkor képlet lkj " # S n (f) = h nx nx f(x 1 ) + f(x i ) + 4 f(x i + h 6 ) + f(x n+1) (7) i= melynek képlethibájár fennáll, hogy Z b f(x)dx S n (f) M 4(b ) h 4 = M 4(b ) 5 : (73) 880 880n 4 H z integrálközelítését z intervllum n részre osztásávl is (zz z S n (f) -et is) meg tudjuk htározni, kkor gykorltbn rendszerint lklmzhtjuk következ½o becslést: Z b f(x)dx S n (f) js n S n j : (74) 34 NUMERIKUS DERIVÁLÁS ÉS INTEGRÁLÁS

8 fejezet Függvényközelítés legkisebb négyzetek módszerével Tekintsük z intepolációnál már bevezetett h(x) = 1 1 (x) + (x) + : : : + m m (x) = mx i i (x): (81) lkú közelít½o függvényt, hol f i (x)g n ismert függvények Az f(x) h(x) legkisebb négyzetes közelítést külön tárgyljuk diszkrét és folytonos esetben 81 Diszkrét eset Ismert z [; b] intervllum = x 1 < x < : : : < x n = b felosztás A legkisebb négyzetes közelítés lpelve: d( 1 ; ; : : : ; m ) = nx [f(x i ) h(x i )] = nx [f (x) mx j j (x)] = min (8) j=1 Tehát z m-változós vlós d( 1 ; ; : : : ; m ) függvény minimumhelyét kell meghtároznunk Az [^ 1 ; : : : ; ^ n ] T kkor lehet minimumhely, h kielégíti egyenletrendszert Vezessük be @d ( 1 ; : : : ; m ) @ j = 0 (j = 1; : : : ; m) (83) g j = [ j (x 1 ) ; j (x ) ; : : : ; j (x n )] T ; (j = 1; : : : ; m) (84) és z f = [f(x 1 ); f(x ); : : : ; f(x n )] T vektorokt A deriválások elvégzése és rendezés után feltételi egyenletrendszer FÜGGVÉNYKÖZELíTÉS LEGKISEBB NÉGYZETEK MÓDSZERÉVEL 35

1 g T 1 g 1 + g T 1 g + : : : + m g T 1 g m = g T 1 f 1 g T g 1 + g T g + : : : + m g T g m = g T f 1 gmg T 1 + gmg T + : : : + m gmg T m = gmf T (85) lkú Ezt z egyenletrendszert normál egyenletrendszenek nevezzük Tétel H g j vektorok (j = 1; : : : ; m) lineárisn függetlenek, kkor normál egyenletrendszer egyértelm½uen megoldhtó és z [^ 1 ; : : : ; ^ n ] T megoldás egyben d( 1 ; ; : : : ; m ) függvénynek minimumhelye, mi ez esetben szintén egyértelm½uen létezik Megmutthtó, hogy polinomközelítés, zz 1 (x) = 1; (x) = x; : : : ; m (x) = x m 1 (86) esetén tétel feltételei fennállnk, tehát feldtnk egyértelm½u megoldás vn Megjegyzés: Áltlábn m < n Az m = n esetben legkisebb négyzetes közelítés és z interpolációs közelítés megegyezik, h mindkett½o létezik 8 Folytonos eset Ebben z esetben legkisebb négyzetes közelítés lpelve: r ( 1 ; : : : ; n ) = Vezessük be Z b (f (x) h(x)) dx = Z b f (x) mx j j (x)! dx = min j=1 (87) és g ij = Z b i (x) j (x) dx; (i; j = 1; : : : ; m) (88) c i = Z b i (x) f (x) dx; (i = 1; : : : ; m) (89) jelölést Ezekkel hsonló normál egyenletrendszer vezethet½o le, mint diszkrét esetben: 1 g 11 + g 1 + : : : + m g1 T g 1m = c 1 1 g 1 + g + : : : + m g m = c 1 g m1 + g m + : : : + m g mm = c m (810) Tétel H j (x) függvények (j = 1; : : : ; m) lineárisn függetlenek, kkor normál egyenletrendszer egyértelm½uen megoldhtó és z [^ 1 ; : : : ; ^ n ] T megoldás 36 FÜGGVÉNYKÖZELíTÉS LEGKISEBB NÉGYZETEK MÓDSZERÉVEL

egyben z r( 1 ; ; : : : ; m ) függvénynek minimumhelye, mi ez esetben szintén egyértelm½uen létezik Itt is igz, hogy polinomközelítés, zz 1 (x) = 1; (x) = x; : : : ; m (x) = x m 1 (811) esetén tétel feltételei fennállnk, tehát feldtnk egyértelm½u megoldás vn FOLYTONOS ESET 37

38 FÜGGVÉNYKÖZELíTÉS LEGKISEBB NÉGYZETEK MÓDSZERÉVEL

9 fejezet Di erenciálegyenletek numerikus megoldás Csk közönséges di erenciálegyenletek kezdetiérték feldt megoldásár szolgáló Runge-Kutt típusú módszerekkel ogllkozunk Az y 0 = f (x; y) ; y (x 0 ) = y 0 f : R! R (91) lkú kezdetiérték feldtokt vizsgáljuk, hol f (x; y) folytonos D = f(x; y) j jx x 0 j < k x ; jy y 0 j < k y g R (9) nyílt trtományon, k x és k y pozitív konstnsok és létezik olyn L > 0 konstns, hogy jf (x; y) f (x; z)j L jy zj ((x; y) ; (x; z) D) : (93) Ekkor minden (x 0 ; y 0 ) D esetén kezdetiérték feldtnk létezik pontosn egy megoldás vlmely [x 0 ; B] intervllumon, zz y 0 (x) = f (x; y (x)) ; x [x 0 ; B] : (94) A feldt numerikus megoldásán következ½ot értjük A megoldást egy [x 0 ; b] intervllum (b B) diszkrét pontjibn keressük Ezek pontok legyenek x 0 = t 0 < t 1 < : : : < t j < : : : < t N = b: (95) A ft i g N i=0 lppont hlmzt z [x 0; b] intervllum felosztásánk nevezzük A felosztás ekvidisztns (egyentávolságú), h t i = t 0 + ih (i = 0; 1; : : : ; N); h = b t 0 N : (96) Az y (t i ) elméleti megoldás t i pontbeli közelítését jelölje y i Értelemszer½uen y (t 0 ) = y 0 A h i = t i+1 t i > 0 mennyiséget i-edik lépéshossznk nevezzük 91 Az explicit Euler-módszer A vizsgált feldtokbn, h egy x pontbn ismert y = y (x), kkor ismert z y 0 (x) = f (x; y (x)) derivált érték is Ennek következtében z x pont egy DIFFERENCIÁLEGYENLETEK NUMERIKUS MEGOLDÁSA 39

környezetében z y (x) pontbeli érint½oközelítést zonnl megdhtjuk: y (x + h) y (x) + hy 0 (x) = y (x) + hf (x; y (x)) : H z x pontbn z y (x) ^y közelít½o érték ismert, kkor fenti képlet átmegy z y (x + h) ^y + hf (x; ^y) közelítésbe Az Euler-módszer lpgondolt ezek után következ½o: A t 1 = t 0 +h 0 pontbn közelítsük z y (t 1 ) elméleti megoldást görbe (x 0 ; y 0 ) pontbeli érint½ojével, zz legyen y (t 0 + h 0 ) y 0 + hy 0 (t 0 ) = y 1 = y 0 + hf (t 0 ; y 0 ) : (97) A t 1 pontbeli y 1 közelítést felhsználv kpjuk, hogy y (t ) y (t 1 ) + h 1 f (t 1 ; y (t 1 )) y = y 1 + h 1 f (t 1 ; y 1 ) : (98) Az eljárást folyttv kpjuk hogy y i+1 = y i + h i f (t i ; y i ) (i = 0; 1; : : : ; N 1); (99) hol y i y (t i ) Ezt képletet nevezzük explicit Euler-módszernek 9 A negyedrend½u Runge-Kutt módszer Az Euler-módszernek számtln továbbfejlesztése ismeretes Ezek közül z egyik legfontosbb z explicit egylépéses módszerek osztály, ezekb½ol is csk negyedrend½u Runge-Kutt módszert említjük ekvidisztns h lépésközzel (t i helyett most x i jelölést hsználv): hol y i+1 = y i + h( 1 6 k 1 + 1 3 k + 1 3 k 3 + 1 6 k 4) (i = 0; 1; : : : ; N 1); (910) k 1 = f (x i ; y i ) k = f (x i + h=; y i + hk 1 =) k 3 = f (x i + h=; y i + hk =) k 4 = f (x i + h; y i + hk 3 ) (911) 40 DIFFERENCIÁLEGYENLETEK NUMERIKUS MEGOLDÁSA