1 Lebegőpontos számábrázolás

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

Numerikus matematika vizsga

Numerikus módszerek beugró kérdések

Numerikus módszerek 1.

Normák, kondíciószám

Lineáris algebra numerikus módszerei

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

Tartalomjegyzék 1 BEVEZETÉS 2

Numerikus módszerek 1.

NUMERIKUS MÓDSZEREK I. BEUGRÓ KÉRDÉSEK

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

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

Numerikus módszerek I. zárthelyi dolgozat (2017/18. I., A. csoport) Megoldások

Numerikus Analízis. Király Balázs 2014.

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

Tétel: Ha,, akkor az ábrázolt szám hibája:

NUMERIKUS MÓDSZEREK I. TÉTELEK

Legkisebb négyzetek módszere, Spline interpoláció

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

1. zárthelyi,

Gauss-Seidel iteráció

Táblán. Numerikus módszerek 1. előadás (estis), 2017/2018 ősz. Lócsi Levente. Frissült: december 1.

Vektorok, mátrixok, lineáris egyenletrendszerek

Kvadratikus alakok és euklideszi terek (előadásvázlat, október 5.) Maróti Miklós, Kátai-Urbán Kamilla

Matematika A2 vizsga mgeoldása június 4.

Bevezetés az algebrába 2 Vektor- és mátrixnorma

LNM folytonos Az interpoláció Lagrange interpoláció. Lineáris algebra numerikus módszerei

Polinomok, Lagrange interpoláció

Vektorterek. =a gyakorlatokon megoldásra ajánlott

GPK M1 (BME) Interpoláció / 16

Lineáris algebra Gyakorló feladatok

Matematika (mesterképzés)

NUMERIKUS MÓDSZEREK PÉLDATÁR

Gauss elimináció, LU felbontás

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

Numerikus Matematika

MATE-INFO UBB verseny, március 25. MATEMATIKA írásbeli vizsga

10. Előadás. 1. Feltétel nélküli optimalizálás: Az eljárás alapjai

Fraktálok. Kontrakciók Affin leképezések. Czirbusz Sándor ELTE IK, Komputeralgebra Tanszék. TARTALOMJEGYZÉK Kontrakciók Affin transzformációk

Eddig csak a polinom x-ben felvett értékét kerestük

Funkcionálanalízis. n=1. n=1. x n y n. n=1

0-49 pont: elégtelen, pont: elégséges, pont: közepes, pont: jó, pont: jeles

3. Lineáris differenciálegyenletek

MÉSZÁROS JÓZSEFNÉ, NUMERIKUS MÓDSZEREK

Ipari matematika 2. gyakorlófeladatok

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

1. Generátorrendszer. Házi feladat (fizikából tudjuk) Ha v és w nem párhuzamos síkvektorok, akkor generátorrendszert alkotnak a sík vektorainak

KÖZELÍTŐ ÉS SZIMBOLIKUS SZÁMÍTÁSOK FELADATGYŰJTEMÉNY

Numerikus módszerek I. zárthelyi dolgozat, 2009/10. I. félév, A. csoport, MEGOLDÁSOK

Szinguláris értékek. Wettl Ferenc április 12. Wettl Ferenc Szinguláris értékek április / 35

Diszkréten mintavételezett függvények

Szinguláris értékek. Wettl Ferenc április 3. Wettl Ferenc Szinguláris értékek április 3. 1 / 28

A CSOPORT 4 PONTOS: 1. A

Sajátértékek és sajátvektorok. mf1n1a06- mf1n2a06 Csabai István

VIK A2 Matematika - BOSCH, Hatvan, 3. Gyakorlati anyag. Mátrix rangja

9. Előadás. Megyesi László: Lineáris algebra, oldal. 9. előadás Mátrix inverze, Leontyev-modell

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

Sorozatok, sorok, függvények határértéke és folytonossága Leindler Schipp - Analízis I. könyve + jegyzetek, kidolgozások alapján

9. Előadás. Megyesi László: Lineáris algebra, oldal. 9. előadás Mátrix inverze, mátrixegyenlet

Feladatok a Gazdasági matematika II. tárgy gyakorlataihoz

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

Gauss-eliminációval, Cholesky felbontás, QR felbontás

Differenciálegyenletek numerikus megoldása

1. Az euklideszi terek geometriája

352 Nevezetes egyenlôtlenségek. , az átfogó hossza 81 cm

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

Lineáris leképezések (előadásvázlat, szeptember 28.) Maróti Miklós, Kátai-Urbán Kamilla

Matematika A1a Analízis

Egy általános iskolai feladat egyetemi megvilágításban

Függvények Megoldások

Lineáris algebra numerikus módszerei

Numerikus integrálás

NUMERIKUS MÓDSZEREK FARAGÓ ISTVÁN HORVÁTH RÓBERT. Ismertet Tartalomjegyzék Pályázati támogatás Gondozó

Numerikus módszerek példatár

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

II. Két speciális Fibonacci sorozat, szinguláris elemek, természetes indexelés

Lineáris egyenletrendszerek

Numerikus módszerek 1.

Matematika szigorlat június 17. Neptun kód:

1. feladatsor Komplex számok

Principal Component Analysis

Differenciálegyenlet rendszerek

LINEÁRIS ALGEBRA. matematika alapszak. Euklideszi terek. SZTE Bolyai Intézet, őszi félév. Euklideszi terek LINEÁRIS ALGEBRA 1 / 40

Modellek és Algoritmusok - 2.ZH Elmélet

Lineáris algebra zárthelyi dolgozat javítókulcs, Informatika I márc.11. A csoport

Explicit hibabecslés Maxwell-egyenletek numerikus megoldásához

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉPSZINT Függvények

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

Gráfelmélet/Diszkrét Matematika MSc hallgatók számára. 13. Előadás

A legjobb közeĺıtés itt most azt jelentette, hogy a lineáris

11. Előadás. 11. előadás Bevezetés a lineáris programozásba

Nemlineáris egyenletrendszerek megoldása április 15.

Bevezetés az algebrába 2

17. előadás: Vektorok a térben

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

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

Hatványsorok, Fourier sorok

YBL - SGYMMAT2012XA Matematika II.

Átírás:

Tartalom 1 Lebegőpontos számábrázolás... 2 2 Vektornormák... 4 3 Indukált mátrixnormák és tulajdonságaik... 5 4 A lineáris rendszer jobboldala hibás... 6 5 A kondíciószám és tulajdonságai... 7 6 Perturbációs lemma, avagy a lineáris rendszer mátrixa hibás... 8 7 Legkisebb négyzetek módszere... 10 8 Gauss-féle normál-egyenlet... 12 9 Gersgorin körök... 13 10 Hatvány módszer... 14 11 Az eltolás... 15 12 Inverz iteráció... 15 13 Lagrange interpoláció... 17 14 Hermite interpoláció... 20 Néhány, a vizsgán előforduló kérdésre próbáltam a megfelelő választ összeírni. Tehát ez nem jegyzet. Az anyag jobb megértéséhez ajánlott az órák látogatása vagy Stoyan Gisbert Numerikus matematika mérnököknek és programozóknak, ISBN 9789639664418 c. könyv tanulmányozása. Ha a kidolgozott kérdésekben hibát találsz, akkor kérlek írj (lehetőleg a megoldással) az x3cut0r@mailbox.hu email címre, és megpróbálom kijavítani! 1

1 Lebegőpontos számábrázolás A nem nulla lebegőpontos számok alakja: ahol egész a számábrázolás alapja, t >1 a mantissza hossza, a kitevő. Az számjegy normalizált: A többi számjegyre igaz: A legkisebb ábrázolható szám: A legnagyobb ábrázolható szám: Az 1 mindig lebegőpontos szám: Az 1 jobboldali szomszédja: Az -t szokták gépi epszilonnak is nevezni. Adott pozitív lebegőpontos szám jobboldali szomszédja 2

tehát a távolság a két szám között Mivel a jelenlegi karakterisztikához a legkisebb -érték a, ezért 3

2 Vektornormák Az vektortéren értelmezett függvény norma, ha 1. minden -re; 2. ; 3. minden és skalár esetén; 4. minden esetén. Jelölés:. Fontos normák kiszámítási módja: vagy ( ) Az oktaéder norma: Az euklideszi norma: ( ) A maximum norma: 4

3 Indukált mátrixnormák és tulajdonságaik Legyen. Legyen vektornorma -en. Ekkor a vektornorma által indukált mátrixnorma. Jelölés:. Ez lehet nem kell. Ellenőrizzük, hogy valóban normát definiál-e -en. 1., mert már a vektornorma is nemnegatív. 2. Ha Ha 3. 4. Az indukált mátrixnormák tulajdonságai: 1. A mátrixnorma függ az indukáló vektornormától. 2. Ha az egységmátrix, akkor, mert 3. Mivel az összes vektorra vonatkozó maximum definiálja a mátrix normáját ( ), vektorra Ha olyan nemnegatív szám, hogy érték az 4., mivel normája lesz. ( ) Fontos normák kiszámítási módja: ahol az mátrix legnagyobb sajátértéke 5

4 A lineáris rendszer jobboldala hibás Az lineáris egyenletrendszer megoldását keressük, ahol reguláris és Becsüljük a megoldás hibáját, ha helyett adott a hibás vektor. Ekkor korlátozza felülről az megoldás abszolút hibáját. A relatív hiba becslése: 6

5 A kondíciószám és tulajdonságai Egy reguláris mátrix kondíciószáma ahol a norma valamilyen indukált mátrixnorma. A kondíciószám tulajdonságai: 1. Függ az indukált mátrixnormától. 2. 3., ahol ortogonális mátrix 4. Az mátrix abszolút értékben minimális, ill. maximális sajátértékét -val ill. -val jelölve alkalmazhatjuk a érvelést az inverz mátrixra is: Kondíciószám kapcsolata a sajátértékkel: Egy mátrix pontosan akkor szinguláris (azaz nem invertálható), ha 0 a sajátértéke. Ha a reguláris mátrix sajátértékei, akkor sajátértékei. Megj.: A becslés éles (minden mátrix esetén létezik olyan és vektor, hogy az egyenlőtlenségben egyenlőség áll fenn). (Ez az előzőhöz jobban illett volna. Lehet nem is fontos.) 7

6 Perturbációs lemma, avagy a lineáris rendszer mátrixa hibás Az lineáris egyenletrendszer megoldását keressük, ahol reguláris és Becsüljük az Ekkor megoldás relatív hibáját ( ), ha helyett adott a hibás mátrix. Kérdés, hogy invertálható-e, vagyis reguláris, amikor a hibátlan mátrix reguláris? Ennek megválaszolásában segít a perturbációs lemma. Perturbációs lemma: Legyen, ahol (valamilyen indukált mátrixnormában). Ekkor invertálható (reguláris) és Bizonyítás. Legyen alapján. Ekkor, a fordított háromszög-egyenlőtlenség. Ha akkor, így, azaz invertálható. invertálható, tehát akkor lesz invertálható, ha is invertálható. A perturbációs lemma szerint, ha, akkor invertálható és. 8

Az megoldás relatív hibája kifejezhető a kondíciószám segítségével, valamint az adatok (itt ) relatív hibájával 9

7 Legkisebb négyzetek módszere Megfigyelünk egy folyamatot a időpillanatokban és ott az értékeket mérjük. Olyan modellt keresünk, melyre Ha (azaz lineáris), akkor lineáris regresszióról beszélünk. Azt az paraméterű egyenest keressük, amelyre ( ) minimális. Részletesen kiírva A minimum hely csak ott kereshető, ahol igaz Átrendezve Mátrix formában ( ) ( ) Ezen mátrix determinánsa nemnegatív: ( ) a Cauchy-egyenlőtlenség szerint: 10

( ) ( ) ( ) Egyenlőség pontosan akkor lehet, ha a két vektor egymás konstans szorosa. 0 pontosan akkor lehet, ha. Ekkor az egyenletrendszer ( ) -re egyszerűsödik és szinguláris, de a rendszer megoldható, mert 2. sora az elsőnek a - szorosa, vagyis elhagyható Ha, akkor a modell konstans függvény. 11

8 Gauss-féle normál-egyenlet 12

9 Gersgorin körök Gersgorin tétel: Tetszőleges mátrix sajátértékei a komplex síkon az középpontú, sugarú körök uniójában helyezkednek el. Egy mátrix pontosan akkor szinguláris, ha 0 a sajátértéke. Más szóval, ha valamelyik körben benne van a 0, akkor a mátrix szinguláris és nem invertálható. Bizonyítás. Legyen az mátrix valamelyik sajátértékéhez tartozó sajátvektora és a -nek olyan komponense, amelyre Ekkor -edik sorát rendezve kapjuk, hogy mindkét oldal abszolút értékét véve Mivel ezért érvényes ami -re egyszerűsödik. Gersgorin tétel erősebb változata: Ha a Gersgorin körök közül akkor ezen kör uniójában pontosan darab sajátérték van. darab diszjunkt a többitől, 13

10 Hatvány módszer A hatvány módszer abból áll, hogy egy alkalmas vektorból kiindulva egy { } vektorsorozatot készítünk: Ez az { } sorozat konvergál a abszolút értékben legnagyobb sajátértékhez tartozó sajátvektorhoz, ha a következő elégséges konvergencia feltételek teljesülnek: 1. az mátrix diagonizálható, pl. normális; 2. ; 3. igaz. Rayleigh hányados: Adott mátrix és közelítő sajátvektor esetén meg kellene határozni a sajátérték egy közelítését. Adott mátrix és vektor esetén a függvény minimum helye Bizonyítás. Hatvány módszer algoritmusa: Adott egy kezdővektor. ( Minden ) -hez felírjuk a Rayleigh hányadost: Ha a konvergencia feltételei teljesülnek, akkor Ha az normált, azaz, akkor. Akkor fejezzük be az iterációt, ha ( ), ahol adott. Ha, ahol normált, akkor az iteráció sikeres volt. 14

11 Az eltolás Ha az mátrix sajátértékei, akkor az mátrix sajátértékei. A sajátvektorok nem változnak. (Hatvány módszerrel az abszolút értékben legnagyobb sajátértéket közelíthetjük. A hatvány módszert az mátrixra alkalmazva lehetőség van egy másik sajátérték közelítésére.) 12 Inverz iteráció Az inverz iteráció abból áll, hogy egy alkalmas vektorból kiindulva egy { } vektorsorozatot készítünk: Ez az { } sorozat konvergál a abszolút értékben legkisebb sajátértékhez tartozó (egy töbszörösé)hez, ha a következő elégséges konvergencia feltételek teljesülnek: 1. az mátrix diagonizálható, pl. normális; 2. ; 3. igaz. Ha a reguláris mátrix sajátértékei, akkor az mátrix sajátértékei. A sajátvektorok nem változnak. A hatvány módszert az közelítésére. mátrixra alkalmazva lehetőség van akár az összes sajátérték Inverz iteráció algoritmusa: A. verzió Adott az mátrix, az kezdővektor, az pontosság, a maximális iterációszám, valamint eltolás. PLU-felbontás. Ha szinguláris, akkor sajátértéke -nak. Ha nem szinguláris, akkor ha nullvektor leállás egyébként és Az iteráció: for-ciklus Elvégezzük a visszahelyettesítéseket x-re alkalmazzuk a permutációs mátrixot. megkapjuk -t -t normáljuk: (Rayleigh) Ha ( ) teljesül, akkor kilépés a for-ciklusból. Ha elértük -et hibaüzenet. 15

Ha akkor a leállás sikeres egyébként sikertelen. B. verzió Adott egy kezdővektor. Elkészítjük az mátrix LU-felbontását: A = LU. Az algoritmus -edik lépésében: 1. meghatározzuk -t. 2. ( meghatározzuk ) -t. -hez felírjuk a Rayleigh hányadost: Ha a konvergencia feltételei teljesülnek, akkor Ha az normált, azaz, akkor. Akkor fejezzük be az iterációt, ha ( ), ahol adott. Ha, ahol normált, akkor az iteráció sikeres volt. 16

13 Lagrange interpoláció Lagrange-féle interpolációs feladat: Adottak az alappontok és értékek. Keresünk egy olyan minimáis fokszámú polinomot, melyre teljesül. A Lagrange-interpoláció feladata egyértelműen megoldható a legfeljebb -edfokú polinomok terében. (Vagyis egyetlen polinom van, ami eleget tesz a feltételnek.) Bizonyítás. Az -edfokú polinom kielégíti az { relációkat. Ezen polinomok segítségével a feladat megoldása polinom, ami -edfokú és. Más indoklással is megerősíthetjük a feladat egyértelmű megoldhatóságát. Tegyük fel hogy, és is megoldja a Lagrange feladatot és legfeljebb -edfokúak Ekkor legfeljebb -edfokú Egy másik lehetőség a polinom előállítására: Az illeszkedési feltételek Azaz egy lineáris egyenletrendszert kaptunk a polinom együtthatóira. 17

Lagrange polinom Newton alakja: Legyen az adatokra illeszkedő Lagrange polinom. A esetben, amikor csak az adat ismert Ezután keressük azt a maximálisan elsőfokú polinomot, amely az adatokat interpolálja a következő alakban: Ekkor érvényes. -et úgy határozzuk meg, hogy is teljesüljön: Ezután keressük azt a maximálisan másodfokú polinomot, amely az, adatokat interpolálja a következő alakban: Ekkor érvényes és. -et úgy határozzuk meg, hogy is teljesüljön: meghatározása: Ekkor az pontokban már teljesíti az illeszkedési feltételeket. -t úgy határozzuk meg, hogy követeljük. 18

Osztott differenciák: Adottak az értékek. Legyen. Az függvény pontokra támaszkodó elsőrendű osztott differenciája: [ ] Az függvény pontokra támaszkodó -adrendű osztott differenciája: [ ] [ ] [ ] A függvény -beli 0-adrendű osztott differenciája. [ ] [ ] [ ] Ezek alapján az adatokra illeszkedő Lagrange polinom: [ ] [ ] [ ] Horner algoritmus: Adja az behelyettesítési értékét az x helyén. Lagrange interpoláció hibája: Ha -szer folytonosan differenciálható, akkor ahol pedig az alappontok és az x pont által felfeszített [ ] intervallum valamely pontja. Ha [ ] A hibaképlet osztott differenciák segítségével is felírható: [ ] Emiatt az is igaz, hogy ha -szer folytonosan differenciálható, akkor : [ ] 19

14 Hermite interpoláció 20