Teori- och räkneuppgifter

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

Tentamen, del 2 Lösningar DN1240 Numeriska metoder gk II F och CL

Del I: Lösningsförslag till Numerisk analys,

Tentamen, del 2 DN1240 Numeriska metoder gk II för F

Tentamen del 1 SF1546, , , Numeriska metoder, grundkurs

Tentamen del 1 SF1511, , kl , Numeriska metoder och grundläggande programmering

Interpolation. 8 december 2014 Sida 1 / 20

Interpolation Modellfunktioner som satisfierar givna punkter

Föreläsning 5. Approximationsteori

Föreläsning 14: Exempel på randvärdesproblem. LU-faktorisering för att lösa linjära ekvationssystem.

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

Fel- och störningsanalys

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

TENTAMEN I GRUNDKURS I NUMERISKA METODER - DEL 20

Tentamen i Beräkningsvetenskap II, 5.0 hp,

Sammanfattning (Nummedelen)

Fel- och störningsanalys

Omtentamen i DV & TDV

Tentamen i Teknisk-Vetenskapliga Beräkningar

Tentamen i Beräkningsvetenskap II, 5.0 hp,

Kort sammanfattning av Beräkningsvetenskap I. Varning!!! Varning!!!

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

Parametriska kurvor: Parametriska ytor

Varning!!! Varning!!!

Linjär Algebra och Numerisk Analys TMA 671, Extraexempel

Konvergens för iterativa metoder

Institutionen för Matematik TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1, TMA DAG: Torsdag 28 aug 2008 TID:

Akademin för utbildning, kultur och kommunikation MMA132 Numeriska Metoder Avdelningen för tillämpad matematik Datum: 13 jan 2014

OH till Föreläsning 5, Numme K2, Läsa mellan raderna. Allmän polynom-interpolation, S Ch 3.1.0

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

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

Denna föreläsning. DN1212 Numeriska metoder och grundläggande programmering FN Differentialekvationer. Repetition av FN5 (GNM kap 6.

Lösningar till Tentamen i Beräkningsvetenskap II, 5.0 hp, Del A. 1. (a) ODE-systemet kan skrivas på formen

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

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

Tentamen i Beräkningsvetenskap II, 5.0 hp,

TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1, TMA671

NUMPROG, 2D1212, vt Föreläsning 1, Numme-delen. Linjära ekvationssystem Interpolation, Minstakvadratmetoden

Ansvariga lärare: Yury Shestopalov, rum 3A313, tel (a) Problem 1. Använd Eulers metod II (tre steg) och lös begynnelsevärdesproblemet

2D1250 Tillämpade numeriska metoder II

Sammanfattning av föreläsning 11. Modellbygge & Simulering, TSRT62. Föreläsning 12. Simulering. Föreläsning 12. Numeriska metoder och Simulering

Laboration 2. Laborationen löses i grupper om två och redovisas individuellt genom en lappskrivning den 3/10. x = 1±0.01, y = 2±0.05.

6. Temperaturen u(x) i positionen x av en stav uppfyller värmeledningsekvationen. u (x) + u(x) = f(x), 0 x 2, u(0) = 0 u(2) = 1,

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

Lösningsförslag till tentamensskrivningen i Numerisk analys

Numeriska metoder för ODE: Teori

Linjära ekvationssystem

Laboration 6. Ordinära differentialekvationer och glesa system

0.31 = f(x 2 ) = b 1 + b 2 (x 3 x 1 ) + b 3 (x 3 x 1 )(x 3 x 2 ) = ( ) + b 3 ( )(

OH till Föreläsning 15, Numme K2, God programmeringsteknik

Numeriska metoder för ODE: Teori

Ordinära differentialekvationer,

DN1212+DN1214+DN1215+DN1240+DN1241+DN1243 mfl Lördag , kl 9-12 Tentamen i Grundkurs i numeriska metoder Del 1 (av 2)

Numeriska metoder för fysiker Lördag , kl 10-14

Institutionen för Matematik TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1, TMA DAG: Lördag 26 maj 2001 TID:

a = a a a a a a ± ± ± ±500

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

Numeriska metoder för ODE: Teori

Tentamen i Beräkningsvetenskap II, 5.0 hp,

Absolutstabilitet. Bakåt Euler Framåt Euler

Institutionen för Matematik. F1 - Linjär algebra och numerisk analys, TMA671 Svar till övningar i Heath s bok och extraövningar

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

Lösningsanvisningar till de icke obligatoriska workoutuppgifterna

Tentamen i Beräkningsvetenskap I/KF, 5.0 hp,

f (a) sin

Numeriska metoder. Kompendiet. Lektor: Yury Shestopalov. Tel Karlstads Universitet

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

Beräkning av integraler

Mer om texter i MATLAB och om iterativ lösning av linjära ekvationssystem

2D1240 Numeriska metoder gk II för T2, VT Störningsanalys

Tentamen i Beräkningsvetenskap II, 5.0 hp,

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

Linjära ekvationssystem

DN1212 för M: Projektrapport. Krimskramsbollen. av Ninni Carlsund

Laboration 1. Ekvationslösning

Fö4: Kondition och approximation. Andrea Alessandro Ruggiu

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

Föreläsning 9. Absolutstabilitet

TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1/TM1, TMA

TENTAMEN I GRUNDKURS I NUMERISKA METODER - DEL 2

Lösningsanvisningar till de icke obligatoriska workoutuppgifterna

Gruppuppgifter 1 MMA132, Numeriska metoder, distans

Laboration 4. Numerisk behandling av integraler och begynnelsevärdesproblem

Lösningsanvisningar till de icke obligatoriska workoutuppgifterna

Laboration 3. Funktioner, vektorer, integraler och felskattning

Tentamen i Beräkningsvetenskap II, 5.0 hp,

FMNF15 HT18: Beräkningsprogrammering Numerisk Analys, Matematikcentrum

OH till Föreläsning 14, Numme I2, God programmeringsteknik

OH till Föreläsning 5, Numme K2, GNM Kap 4-4.4A / GKN Kap 4.1A,(D),E Interpolation. Läsa mellan raderna. Allmän polynom-interpolation

Tentamen i Beräkningsvetenskap II, 5.0 hp,

TMA226 datorlaboration

Anteckningar Numeriska Metoder

Numerisk Analys, MMG410. Lecture 13. 1/58

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

Lösningar tentamen i kurs 2D1210,

FÖRSÄTTSBLAD TILL TENTAMEN. ELLER (fyll bara i om du saknar tentamenskod): Datum: 16 januari Bordsnummer:

Tentamen del 2 SF1511, , kl , Numeriska metoder och grundläggande programmering

TANA17 Matematiska beräkningar med MATLAB för M, DPU. Fredrik Berntsson, Linköpings Universitet. 26 november 2015 Sida 1 / 28

TANA09 Föreläsning 8. Kubiska splines. B-Splines. Approximerande Splines. B-splines. Minsta kvadrat anpassning. Design av kurvor och ytor.

Egenvärdesproblem för matriser och differentialekvationer

Transkript:

Teori- och räkneuppgifter Version December 7 014 1 Fel- och störningsanalys 11 Värdet på x är uppmätt till 0956 med ett absolutfel på högst 00005 Ge en öre gräns för absolutfelet i y exp(x + x Motiera saret 1 Ekationen log(x x/50 0 löstes med Newtons metod och abrottskriteriet log(x n x n /50 < 10 10 Resultatet ble x n 81158987499664 Ge en öre gräns för absolutfelet i x n (jämfört med den exakta roten Motiera saret 13 Ett komplicerat problem med indata a b och c löses och ger resultatet y Indata har felgränserna a ± 001 b ± 00 och c ± 0005 Hur kan man med experimentell störningsräkning skatta felet i y? 14 Ett ljus placeras 0750 ± 0001 meter från en skärm En lins hålls mellan ljuset och skärmen Man hittar tå punkter där linsen ger en skarp bild a ljuset på skärmen Punkterna ligger 05 ± 000 meter från arandra Bestäm linsens brännidd f med felgräns E f Ledning: Linsformeln 1 f 1 a + 1 b relaterar brännidden f med ljusets astånd a till linsen och skärmens astånd b till linsen när bilden är fokuserad 15 Konditionstalet för ett problem ligger på 10000 Hur många korrekta siffror måste indata ha för att lösningen med säkerhet ska få sex siffrors noggrannhet? 16 Ett ekationssystem Ax b har lösts med dator Vi et att komponenterna i b är uppmätta ärden med osäkerheter ±10 3 Förutom lösningen x har följande maximumnormer beräknats: x 15 A 5 A 1 800 b 15 Härled en skattning a osäkerheten i lösningen 17 Beräkna konditionstalet för en diagonalmatris med diagonalelementen /k k 1 0 18 Beräkna konditionstalen för matriserna ( ( 1 3 0 3 1 5 ( 1 1 1 Olinjära ekationer 1 Ekationen x 5 x+1 har en rot mellan 1 och och löses med interallhaleringsmetoden (bisection method Beskri metoden Hur många interallhaleringar behös för att bestämma roten med ett fel som är mindre än 10 6? 1 (7

Ekationen cos(x x 0 har en rot nära 085 Formulera ekationen som ett fixpunktproblem och undersök om motsarande fixpunktiteration kan konergera mot roten 3 Vad kräs för att iterationen y n+1 g(y n n 01 med y 0 gien skall konergera mot en rot y g(y? Motiera saret genom att betrakta felet e n : y n y och tayloruteckla g(y runt y 4 Vad menas med att fixpunktiteration har linjär konergens? Beskri i ord och formler När kan konergensen bli bättre och sämre? 5 Vad menas med att Newtons metod har kadratisk konergens? Beskri i ord och formler När kan konergensen bli sämre? 6 Beskri detaljerat Newtons metod för lösning a ett ickelinjärt ekationssystem 7 Beskri sekantmetoden för en skalär ekation Hur många startärden kräs? Hur många funktionsberäkningar kräs i arje iterationssteg? Ange en nackdel och en fördel hos sekantmetoden i jämförelse med Newtons metod 8 För en iterati metod uppskattas felen e n i iterationerna till e 1 011345 e 148995 10 e 3 4899 10 4 e 4 64165 10 8 Vilken konergensordning motsarar detta troligen? (7 3 Linjära ekationssystem 31 Hur definieras maxnormen a en matris? Beräkna maxnormen för matriserna 0 1 1 4 4 4 4 3 3 3 4 0 1 1 0 1 0 3 3 Antag att AB R n n och xb R n Vad är beräkningskostnaden i termer a n för att (a beräkna ektorn Ax (b lösa Ax b om A är en full matris (c lösa Ax b om A är en triangulär matris (d lösa Ax b om A är en tridiagonal matris (e beräkna matrisen AB (både A och B fulla matriser (f beräkna ektorn ABx (både A och B fulla matriser 33 Om ett ekationssystem med fylld systemmatris och 17 obekanta tar 17 millisekunder att lösa hur lång tid ungefär tar det att lösa ett liknande system med 340 obekanta? 34 Om lösningen (med en effekti algoritm a ett tridiagonalt system med 500 obekanta tar 01 sek hur lång tid tar en effekti lösning a ett tridiagonalt system med 10000 obekanta? Man kan undika att lagra hela matrisen hur mycket inner man i lagringsutrymme i det stora systemet oan? 35 Om lösningen (med en effekti algoritm a ett triangulärt system med 1000 obekanta tar 1 sek hur lång tid tar det att lösa ett triangulärt system med 5000 obekanta? 36 Vad menas med piotering id lösning a linjära ekationsystem? Varför anänds det?

37 Betrakta den iteratia metoden Px n+1 Bx n + b för att lösa ekationssystemet Ax b (där alltså A P B Vad kräs a P och B för att metoden ska konergera och inte ha alltför hög beräkningskostand? Jacobis metod kan skrias på den här formen med ett speciellt al a P Vilket? 38 Vad är LU-faktoriseringen a en matris A? Antag att i redan har A-matrisens LUfaktorisering Visa hur man då löser Ax b Vad blir beräkningskostnaden? 39 Hur kan man med hjälp a LU-faktorisering effektiisera problemet att lösa Ax b k för äldigt många högerled b k (men hela tiden samma A? 310 Ge ett tillräckligt illkor på matrisen A för att Jacobis och Gauss Seidels (iteratia metoder ska konergera när man ill lösa Ax b 311 Härled beräkningskostnaden i termer a n (ds komplexiteten för att LU-faktorisera en full matris A R n n 31 Antag att A R n n är en öertriangulär matris Härled beräkningskostnaden i termer a n (ds komplexiteten för att lösa Ax b med bakåtsubstitution 313 Antag att A R n n är en tridiagonal matris Härled beräkningskostnaden i termer a n (ds komplexiteten för att lösa Ax b med en effekti algoritm som tar hänsyn till matrisens gleshet 314 Antag att AB R n n är tå fulla matriser Härled beräkningskostnaden i termer a n (ds komplexiteten för anlig matris-matrismultiplikation ds för att beräkna C AB 4 Egenärden 41 Beskri potensmetoden (power method för egenärdesberäkningar Vilka egenärden kan man räkna ut med denna metod? 4 Beskri inersa potensmetoden (inerse power method för egenärdesberäkningar Vilka egenärden kan man räkna ut med denna metod? 5 Approximationsteori 51 Vi ill anända ett polynom för att interpolera ärdena y 1 y 4 i x-koordinaterna x 1 x 4 Vilket gradtal kommer polynomet i allmänhet ha? Visa att polynomets koefficienter kan beräknas genom att lösa ett linjärt ekationssystem 5 Vi ill att polynomet p(x ska interpolera ärdena 1 3 1 id x 3 1 5 Ställ upp ett linjärt ekationssystem för koefficienterna till p(x där du specificerar elementen i systemmatrisen och i högerledet 53 Varför bör man undika interpolation med polynom a högt gradtal och ekidistanta interpolationspunkter? Vad är bättre alternati? 54 Vad är noggrannhetsordningen för styckis linjär interpolation? Det ill säga hur beror (det punktisa felet på aståndet h mellan noderna? 55 Vad är kubiska splines? 56 Bestäm minstakadratlösningen till c 1 c c c 1 + c 1 Vad är det som minimeras? Vad menas med normalekationerna? 3 (7

57 Minstakadratanpassning till modellen y a cos(x+b cos(x görs till gina mätdata y 1 y 5 id x-ärdena π/ π/4 0 π/4 π/ Hur ser ekationssystemet för de obekanta a b ut? Vad kallas dessa ekationer? 58 Antag att f C ([ab] Härled följande feluppskattning för linjär interpolation p lin (x a f i x ab max f(x p lin(x 1 a x b 8 h max f (ξ ξ [ab] där h b a (Du får anända resultatet i Sats 34 i Sauer Hur ser motsarande feluppskattning ut för styckis linjär interpolation i noderna x j jh j 0 n? 59 Vi söker det tredjegradspolynom p(x som interpolerar f(x sin(x i x 0 och x π/ och som äen har samma deriata som f i dessa punkter f (0 p (0 och f (π/ p (π/ Specificera det linjära ekationsystem för koefficienterna i p(x som behöer lösas (Denna typ a interpolation kallas Hermiteinterpolation 510 Giet följande tabell öer tan(x i interallet [01]: x 0 01 0 03 04 05 tan(x 0 01003 007 03093 048 05463 x 06 07 08 09 10 tan(x 06841 0843 1096 160 15574 (a Beräkna tan(037 med hjälp a styckis linjär interpolation i tabellen (b Uppskatta felet i det beräknade ärdet i (a (c Lös ekationen tan(x 13 med hjälp a styckis linjär interpolation (d Uppskatta felet i din lösningen i (c (e I tabellen har i 10 delinterall Hur många delinterall behös för att alla ärden beräknade med styckis linjär interpolation ska ha tå korrekta decimaler (Du kan bortse från arundningsfelen i denna fråga 4 (7 6 Numerisk deriering och integration 61 Vad menas med noggrannhetsordningen för en numerisk metod tex för att beräkna integraler? 6 Deriatan a en funktion kan approximeras med framåt- respektie centraldifferenskot Härled noggrannhetsordningen i båda fallen med hjälp a tayloruteckling 63 Beskri (sammansatta trapetsregeln för integralberäkning Vilken noggrannhetsordning har metoden? 64 Beskri (sammansatta Simpsons formel för integralberäkning Vilken noggrannhetsordning har metoden? 65 En integral approximeras med en numerisk metod När man anänder delinterall med längderna 04 0 och 01 får man felen 0031 00091 och 0000359 Vilken noggrannhetsordning har metoden? Motiera! 66 Hur skattar man felet och noggrannhetsordningen id integralberäkning med trapetsregeln med hjälp a beräkningar med olika antal delinterall? 67 En integral approximeras med en numerisk metod När man anänder delinterall med längderna 05 05 och 015 får man följande approximationer a den exakta integralen: 046451 0460897 och 0459997 Vilken noggrannhetsordning har troligen metoden? Motiera!

7 Ordinära differentialekationer 71 Skri differentialekationen som ett första ordningens system 7 Betrakta differentialekationerna d ( x dy dt y x + dt y t y + y / + y /(1 + t 1 0 y(0 y 0 y (0 y 1 y (0 y d y dt x y + x(0 x 0 x (0 x 1 y(0 y 0 y (0 y 1 ( dx + sin(t dt (a Skri differentialekationerna som ett första ordningens system (b Inför lämplig notation och formulera metoden Framåt Euler för systemet Definiera alla ingående ariabler 73 Förklara följande begrepp som karaktäriserar en numerisk metod för begynnelseärdesproblem Exemplifiera dem för Framåt Euler (a Lokalt trunkationsfel (b Globalt fel (c Noggrannhetsordning (d "metoden är konergent" (e "metoden är konsistent" 74 Beräkna lokala trunkationsfelet för Framåt Euler Vad är noggrannhetsordningen? u n+1 u n + hf(t n u n 75 Beräkna lokala trunkationsfelet för Bakåt Euler Vad är noggrannhetsordningen? u n+1 u n + hf(t n+1 u n+1 76 Beräkna lokala trunkationsfelet för Trapetsregeln Vad är noggrannhetsordningen? 77 Giet metoden u n+1 u n + h f(t nu n + f(t n+1 u n+1 u n+1 u n + hαf(t n u n + hβf(t n+1 u n+1 För ilka ärden på α och β är metoden a ej konsistent b första ordningens noggrann c andra ordningens noggrann? 78 Vad är stabilitetsområdet för en numerisk ODE-metod? Hur definieras det? Varför är det intressant? 79 Härled stabilitetsområdet för Framåt Euler 5 (7

710 Vad menas med att en numerisk ODE-metod för begynnelseärdesproblem är explicit respektie implicit? Är Trapetsregeln explicit eller implicit? u n+1 u n + h f(t nu n + f(t n+1 u n+1 711 Vad menas med en sty differentialekation? Vilka problem medför en sty differentialekation för explicita metoder? 71 För ilka ärden på steglängden h är Framåt Euler absolutstabil när den tillämpas på differentialekationerna (a (b (c (d (e (f y 10y y 10 + sin(t y (sin(t 5y ( ( u 5 0 1 500 ( u ( 3 4 8 9 ( ( u 4 17 6 ( u ( u ( u 713 För ilka ärden på steglängden h är Bakåt Euler absolutstabil när den tillämpas på differentialekationerna i uppgift 71? 714 Betrakta Runge Kutta ("explicita trapetsregeln" u n+1 u n + h f(t nu n + f(t n+1 u n + hf(t n u n (a Beräkna lokala trunkationsfelet Vad är noggrannhetsordningen? (b Ge ett uttryck som beskrier metodens stabilitetsområde (c För ilka steglängder är metoden absolutstabil när den tillämpas på differentialekationen ( ( u 3 3 8 ( u 715 Ge ett uttryck som beskrier stabilitetsområde för trapetsregeln u n+1 u n + h f(t nu n + f(t n+1 u n+1 6 (7

8 Randärdesproblem 81 Vad är skillnaden mellan ett begynnelseärdesproblem och ett randärdesproblem? 8 Vi ill lösa det linjära randärdesproblemet med finita differenser u xx + 4u x u f(x u(0 (1 0 (a Hur diskretiserar man ekationen och approximerar den med ett linjärt ekationssystem Au f? (b Hur ser matrisen A ut? Hur kan man lösa ekationssystemet effektit? (c Vad blir noggrannhetsordningen? 83 Vi ill lösa det olinjära randärdesproblemet med finita differenser u xx + a(xu x f(u u(0 (1 0 (a Hur diskretiserar man ekationen och approximerar den med ett olinjärt ekationssystem F(u 0? (b Hur ser funktionen F och dess jakobian ut? Hur kan man lösa ekationssystemet? 84 Betrakta randärdesproblemet för funktionen u(x u xx + xu x + 3(1 x u sin(πx 1 < x < 3 u(1 0 u(3 1 (a Formulera finita differensmetoden för att lösa detta problem Visa hur metoden leder till ett linjärt ekationssystem Au b Specificera elementen i A-matrisen högerledet b och lösningsektorn u (b Utnyttja approximationen u x (x 3u(x + 4u(x + h u(x + h h + O(h och isa hur finita differensmetoden och ekationssystemet ändras när man istället för u(1 0 har randillkoret u(1 + u x (1 0 7 (7