2D1240 Numeriska metoder gk II för T2, VT Störningsanalys

Relevanta dokument
Fel- och störningsanalys

Fel- och störningsanalys

Linjära ekvationssystem

Linjära ekvationssystem

Denna föreläsning. DN1212 Numeriska metoder och grundläggande programmering FN Standardform för randvärdesproblem

Teorifrågor. 6. Beräkna konditionstalet för en diagonalmatris med diagonalelementen 2/k, k = 1,2,...,20.

Fö4: Kondition och approximation. Andrea Alessandro Ruggiu

Konvergens för iterativa metoder

a = a a a a a a ± ± ± ±500

Välkomna till Numme och MATLAB, 9 hp, för Materialdesign och Energi&Miljö, årskurs 2

Lösningsanvisningar till de icke obligatoriska workoutuppgifterna

Numerisk Analys, MMG410. Exercises 2. 1/33

TANA09 Föreläsning 5. Matrisnormer. Störningsteori för Linjära ekvationssystem. Linjära ekvationssystem

2 Matrisfaktorisering och lösning till ekvationssystem

Gruppuppgifter 1 MMA132, Numeriska metoder, distans

Sammanfattninga av kursens block inför tentan

2D1250 Tillämpade numeriska metoder II Läsanvisningar och repetitionsfrågor:

1. (Dugga 1.1) (a) Bestäm v (3v 2u) om v = . (1p) and u =

Lösningsanvisningar till de icke obligatoriska workoutuppgifterna

Ordinära differentialekvationer,

Lösningsanvisningar till de icke obligatoriska workoutuppgifterna

Tentamen, del 2 DN1240 Numeriska metoder gk II för F

Numeriska metoder för ODE: Teori

FMNF15 HT18: Beräkningsprogrammering Numerisk Analys, Matematikcentrum

Numerisk Analys, MMG410. Lecture 1. 1/24

Tentamen i Beräkningsvetenskap I, DV, 5.0 hp, OBS: Kurskod 1TD394

Institutionen för Matematik TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1, TMA DAG: Fredag 30 augusti 2002 TID:

LAB 1. FELANALYS. 1 Inledning. 2 Flyttal. 1.1 Innehåll. 2.1 Avrundningsenheten, µ, och maskinepsilon, ε M

Vektorrum. EX. Plan och linjer i rummet genom origo. Allmänt; mängden av lösningar till AX = 0.

Fixpunktsiteration. Kapitel Fixpunktsekvation. 1. f(x) = x = g(x).

Del I: Lösningsförslag till Numerisk analys,

TMA 671 Linjär Algebra och Numerisk Analys. x x2 2 1.

Ordinära differentialekvationer,

Tentamen del 1 SF1546, , , Numeriska metoder, grundkurs

Oändligtdimensionella vektorrum

Tentamen i Teknisk-Vetenskapliga Beräkningar

Institutionen för Matematiska Vetenskaper TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1, TMA

Komplettering till kursboken i Numeriska beräkningar. 1 Beräkningsfelsanalys. 1.1 Uttryck med kancellation

Block 2: Lineära system

Laboration 1 i SF1544: Öva på Matlab och konstruera en optimal balk Avsikten med denna laboration är att:

Föreläsning 5. Approximationsteori

Interpolation Modellfunktioner som satisfierar givna punkter

Lösningsförslag till inlämningsuppgift 3 i Beräkningsprogrammering Problem 1) function condtest format compact format long

Teknisk Beräkningsvetenskap I Tema 3: Styvhetsmodellering av mjuk mark med icke-linjära ekvationer

Absolutstabilitet. Bakåt Euler Framåt Euler

KTH 2D1240 OPEN vt 06 p. 1 (5) J.Oppelstrup

Tentamen i Beräkningsvetenskap II, 5.0 hp,

SF1545 Laboration 1 (2015): Optimalt sparande

TANA17 Matematiska beräkningar med Matlab

Maclaurins och Taylors formler. Standardutvecklingar (fortsättning), entydighet, numerisk beräkning av vissa uttryck, beräkning

SF1669 Matematisk och numerisk analys II Lösningsförslag till tentamen DEL A. r cos t + (r cos t) 2 + (r sin t) 2) rdrdt.

BEGREPPSMÄSSIGA PROBLEM

Datoraritmetik. Från labben. Från labben. Några exempel

Tentamen i Beräkningsvetenskap II, 5.0 hp,

Egenvärdesproblem för matriser och differentialekvationer

TMV166 Linjär Algebra för M. Tentamen

Linjärisering, Jacobimatris och Newtons metod.

Institutionen för Matematik TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1, TMA DAG: Fredag 16 januari 2009 TID:

Gripenberg. Mat Grundkurs i matematik 1 Tentamen och mellanförhörsomtagning,

2D1240 Numeriska metoder gk II för T2, VT 2004 LABORATION 1. Ekvationslösning

LAB 4. ORDINÄRA DIFFERENTIALEKVATIONER. 1 Inledning. 2 Eulers metod och Runge-Kuttas metod

Omtentamen i DV & TDV

Repetitionsfrågor: 5DV154 Tema 4: Förbränningsstrategier för raketer modellerade som begynnelsevärdesproblem

Omtentamen i DV & TDV

TANA19 NUMERISKA METODER

1 Konvexa optimeringsproblem grundläggande egenskaper

Lösningsförslag till skrivningen i Vektorgeometri (MAA702) måndagen den 30 maj 2005

Vectorer, spannet av vektorer, lösningsmängd av ett ekvationssystem.

Föreläsning 9. Absolutstabilitet

Matrisavbildningar. Kirsti Mattila K T H

Numeriska metoder, grundkurs II. Dagens program. Hur skriver man en funktion? Administrativt. Hur var det man gjorde?

LÖSNINGSFÖRSLAG TILL TENTAMEN 2 SF1664

Tentamen i Beräkningsvetenskap I/KF, 5.0 hp,

Tentamen i Beräkningsvetenskap II, 5.0 hp,

Tentamen i Beräkningsvetenskap II, 5.0 hp,

Normer och Kondition

TMV142/186 Linjär algebra Z/TD

Linjär algebra på några minuter

Föreläsningen ger en introduktion till differentialekvationer och behandlar stoff från delkapitel 18.1, 18.3 och 7.9 i Adams. 18.

Laboration 1. Ekvationslösning

Lösningsförslag till tentamensskrivningen i Numerisk analys

Vektorgeometri för gymnasister

Facit Tentamen i Beräkningsvetenskap I, STS ES W K1

Laboration 1. x = 1±0.01, y = 2±0.05. a) Teoretiskt med hjälp av felfortplantningsformeln (Taylor-utveckling).

Lösningsförslag, tentamen, Differentialekvationer och transformer II, del 1, för CTFYS2 och CMEDT3, SF1629, den 19 oktober 2011, kl. 8:00 13:00.

Akademin för utbildning, kultur och kommunikation MMA132 Numeriska Metoder Avdelningen för tillämpad matematik Datum: 2 juni 2014

Tentamen i Beräkningsvetenskap II, 5.0 hp,

12. SINGULÄRA VÄRDEN. (u Av) u v

SF Numeriska metoder, grundkurs Föreläsning 5: Felanalys, felkalkyl och kondition KTH - SCI

x 1(t) = x 2 (t) x 2(t) = x 1 (t)

n Kap 4.1, 4.2, (4.3), 4.4, 4.5 n Numerisk beräkning av derivata med n Felen kan t ex vara avrundningsfel eller mätfel n Felet kan mätas

MATEMATIK Datum: Tid: eftermiddag Hjälpmedel: inga. Mobiltelefoner är förbjudna. A.Heintz Telefonvakt: Tim Cardilin Tel.

Lösandet av ekvationer utgör ett centralt område inom matematiken, kanske främst den tillämpade.

Institutionen för Matematiska Vetenskaper TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1, TMA

Tentamen i Beräkningsvetenskap II, 5.0 hp,

A = (3 p) (b) Bestäm alla lösningar till Ax = [ 5 3 ] T.. (3 p)

Facit Tentamen i Beräkningsvetenskap I (1TD393) STS ES W K1

NUMPROG, 2D1212, vt Föreläsning 9, Numme-delen. Stabilitet vid numerisk behandling av diffekvationer Linjära och icke-linjära ekvationssystem

SKRIVNING I VEKTORGEOMETRI

Facit Tentamen i Beräkningsvetenskap I, STS ES W K1

Transkript:

Olof Runborg ND 10 februari 2004 2D1240 Numeriska metoder gk II för T2, VT 2004 Störningsanalys Indata till ett numeriskt problem innehåller i praktiken alltid (små) fel.felen kan bero på tex mätfel, avrundningsfel eller pga att indata kommer från andra numeriska beräkningar som innehåller trunkationsfel.en viktig frågeställning är därför hur lösningen till problemet påverkas av dessa fel.vi kan beskriva situationen såhär: Indata Problem Utdata x F y Här är F en abstrakt formulering av problemet.det kan tex vara en enkel funktion y = F (x), men i allmänhet är F mer komplicerad än så. Frågan är nu vad som händer med utdata y om vi stör indata x med ett litet fel ε x.istället för x skickar vi in x = x + ε x och istället för y får vi ut ỹ = y + ε y.hur beror då ε y på ε x? Störd indata Problem Störd utdata x=x+ε x F y=y+ ε y Ofta känner vi inte felet precis utan vet bara att det är mindre än en felgräns.felgränsen kan vara antingen absolut, betecknad E x, eller relativ, betecknad R x, och innebär att ε x E x, ε x R x. x Om felgränserna i utdata E y, R y är små när felgränserna i indata E x, R x är små brukar man säga att problemet är välkonditionerat eller stabilt; små fel i indata spelar ingen större roll. 1 F känd funktion Om F är en känd, snäll funktion kan vi analysera felfortplantningen från indata till utdata med hälp av lokal linärisering runt x.i detta fall är y = F (x) och ỹ = F ( x).via taylorutvecklingen får vi F (x) =F ( x ε x ) F ( x) ε x F ( x) ε y =ỹ y = F ( x) F (x) ε x F ( x) ε y ε x F ( x) Detta ger direkt motsvarande formel för absoluta felgränserna E x och E y, ε y ε x F ( x) E x F ( x) E y E x F ( x) 1

Om F beror på flera variabler, får man på samma sätt y = F (x 1,x 2,...,x n ), ỹ = F ( x 1, x 2,..., x n ), ε y ε x1 F( x 1,..., x n) x 1 + + ε xn F( x 1,..., x n) x n, där ε x är felet i x,samt där E x är absoluta felgränsen för ε x. E y E x1 F( x 1,..., x n) x 1 + + Exn F( x 1,..., x n) x n, Exempel 1: ntag att F (x) = 1 + cos x och att indata x är given som x =0.1 ± 0.005.Med terminologin ovan är då x =0.1 och ε x 0.005, dvse x =0.005.Beräkna först ỹ, Enligt formeln ovan blir felgränsen för ỹ ỹ = 1 + cos(0.1) 0.0499958 E y E x F ( x) =0.005 sin(0.1) 0.5 10 3. Vi avrundar därför ỹ till tre decimaler och skriver y =0.050 ± 0.0005. Exempel 2: Låt x vara exakta roten till ekvationen f(x) =0.Låt x vara en approximation till roten given av Newtons metod med avbrottskriteriet f( x) δ, där toleransen δ är ett litet tal.beräkna felgränsen i x.i detta exempel är y = f(x) =0och ỹ = f( x).földaktligen är ε y = ỹ y = f( x) 0 δ, dvse y = δ.formeln för felgränserna ger då E y E x f ( x) E x δ f ( x). Notera att om f ( x) är liten kan felet i x vara stort även om toleransen δ är liten.det är därför normalt svårt att lösa ekvationer med dubbelrötter där f(x) =f (x) =0. 2 Experimentell störningsanalys I många fall är F inte känd, eller för komplicerad för att kunna deriveras.det är då svårt att använda analysen ovan.exempelvis skulle F (x) kunna vara given som lösningen till en ordinär differentialekvation vid en viss tid med begynnelsevärde x: dy = g(y), y(0) = x, F (x) :=y(10). dt I denna situation är det mer praktiskt att använda experimentell störningsanalys där F (x) betraktas som en svart låda.det enda vi antar är att F är deriverbar. Vi börar med att beräkna ỹ från störda indata x som tidigare.sedan gör vi en experimenträkning : en beräkning där vi medvetet stör indata ytterligare med värdet på indatafelgränsen E x. Resultatet kallar vi ȳ, ỹ = F ( x), ȳ = F ( x + E x ). 2

Skillnaden ȳ ỹ är då en bra uppskattning av felgränsen E y i utdata ỹ, ȳ ỹ = F ( x + E x ) F ( x) E x F ( x) E y. När F beror av två variabler stör vi dem en i sänder och beräknar, ȳ 1 = F (x 1 + E x1,x 2 ), ȳ 2 = F (x 1,x 2 + E x2 ). Felet i utdata uppskattas med E y ỹ ȳ 1 + ỹ ȳ 2. Etc.för fler variabler.se tex ENM uppgift 8.8 för exempel. 3 Rättställdhet Vi har hittills hela tiden antagit att F motsvarar en snäll funktion, i sälva verket en deriverbar funktion.om F istället tex är en diskontinuerlig funktion kan ε y bli stort även för godtyckligt små ε x.det betyder att även om vi har mycket små störningar i indata får vi ett utvärde som är helt fel.sådana problem kallas icke rättställda (ill-posed).omvänt kallas problem där F (x) är kontinuerlig för rättställda (well-posed) problem.det är viktigt att se konsekvensen av icke rättställdhet: Eftersom vi i praktiken alltid har små störningar i indata kan icke rättställda problem inte lösas med numeriska metoder även om problemet i teorin har en entydig lösning.begreppet rättställdhet är därför centralt inom tillämpad matematik.ett mycket enkelt exempel på ett icke rättställt problem är fölande.lös f(x) =0när x, x 0,x 20, f(x) = 20, x =0, 0, x =20. Det är uppenbart att lösningen är x =20, men en numerisk metod kommer inte kunna hitta den roten.den numeriska svårigheten är ganska tydlig i det här enkla fallet.den kan dock vara betydligt mer subtil i mer komplicerade problem.speciellt svår är frågan om rättställdhet för partiella differentialekvationer där även till synes enkla ekvationer kan vara icke rättställda.i det fallet är både in- och utdata funktioner snarare än skalära tal eller vektorer. 4 Linära ekvationssystem Vi gör nu en noggrannare störningsanalys för linära ekvationssystem x = b. (1) Här är högerledet b indata och lösningen x utdata.vi antar att är icke-singulär.som tidigare utgår vi från att b är behäftat med ett litet fel ε b och att den resulterande lösningen då får ett litet fel ε x.istället för (1) löser vi därför x = b, (2) där x = x+ε x och b = b+ε b.notera att data b, x och felen ε b, ε x nu är vektorer och inte skalära tal.för att mäta felen använder vi oss därför av normer, istället för absolutbelopp som tidigare. Vektor- och matrisnormer beskrivs kort i ppendix nedan.genom att subtrahera (2) från (1) får vi först ε x = ( x x) = b b = ε b, och eftersom inte är singulär, ε x = 1 ε b ε x = 1 ε b. 3

Olikhet (6) i ppendix ger då ε x 1 ε b. (3) Vi går nu tillbaka till (1) och använder olikheten (6) igen, vilket efter division med b x blir b = x x, 1 x b. (4) Tillsammans ger (3) och (4) en övre begränsning på hur det relativa felet i indata kan förstärkas i utdata, ε x 1 ε b x b. Notera att ε x / x och ε b / b är relativfelet i utdata respektive indata.faktorn framför ε b / b kallas konditionstalet för matrisen och betecknas K, K() := 1. Konditionstalet visar hur det relativa felet i indata maximalt kan förstoras i utdata.speciellt får vi för de relativa felgränserna R x och R b, R x = K()R b. När konditionstalet är litet säger vi att matrisen är välkonditionerad.när konditionstalet är stort är matrisen illa konditionerad.matrisen är då nästan singulär. Några kommentarer: 1.Konditionstalet beror egentligen på val av norm.i praktiken spelar valet dock ingen större roll. 2.I det speciella fallet när är symmetrisk kan man också uttrycka K() (i 2-norm) med hälp av egenvärdena till.enligt uttrycket för 2-normen som ges i ppendix är 2 = max λ ( T ) = max λ ( 2 ) = max λ (). På samma sätt ges 1 2 = max λ ( 2 ) = max λ () 1. Därför är K() = λ max λ min, vilket även visas i Quarteroni/Saleri, s 117 på ett lite annat sätt. 3.I Matlab är R b minst lika med 10 15 pga avrundningsfelen.om K() > 10 15 blir därför lösningarna synnerligen opålitliga. Se tex ENM 3.4, 3.5 samt uppgift 3 i lab 1 för exempel på hur konditionstal används. 4

Vektor- och matrisnormer För att mäta storleken av en vektor eller matris använder vi normer.det kan ses som en generalisering av absolutbeloppet för skalära tal.normen av vektorn x skrivs x.flera olika val av normer är möliga för vektorer.vanligast är den euklidiska normen (även kallad 2-normen), n x 2 := x 2, x =(x 1,x 2,...,x n ) T R n, =1 som mäter längden av x i R n.ibland används också lla normer uppfyller 1. x > 0 för alla vektorer x 0, 2. αx = α x för alla skalära tal α R, 1-normen x 1 := n =1 x, max-normen x := max x. 3. x + y x + y för alla vektorer x och y (triangeolikheten). (Dessa tre villkor kan även ses som axiomen vilka definierar en norm i ett vektorrum.) Matrisnormer definieras vanligtvis i termer av vanliga vektornormer enligt := max x 0 x x. (5) Notera att normerna i högerledet båda är vektornormer.för vare vektornorm får man således en motsvarande matrisnorm.låt a i vara elementet på rad i och kolumn i.man kan visa att 1-, 2-, och max-normen ger fölande uttryck för matrisnormerna: 1-normen 1 = max n i=1 a i, (dvs max kolumnsumma ), 2-normen 2 = max λ ( T ), (där λ ( T ) är egenvärde till matrisen T ), max-normen = max i n =1 a i, (dvs max radsumma ). Matrisnormerna definierade enligt (5) uppfyller automatiskt punkterna 1-3 ovan.efter multiplikation med x på båda sidor ger dessutom (5) denna viktiga olikhet: x x. (6) 5