Dipl.-Math. Robert Offinger Wintersemester 2006/07 Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Fakultät für Mathematik

Ähnliche Dokumente
Lineare Algebra für D-ITET, D-MATL, RW. Beispiellösung für Serie 12. Aufgabe Herbstsemester Dr. V. Gradinaru D. Devaud.

Serie a) Welche der folgenden Vektoren sind Eigenvektoren der Matrix 1 0 1? 0 1 1

Lösungen Serie 2. D-MAVT Lineare Algebra II FS 2018 Prof. Dr. N. Hungerbühler 1 0 1? 0 1 1

Lineare Algebra und Numerische Mathematik für D-BAUG

Name: Matr.-Nr.: 2. Aufgabe 1. Gegeben sei das folgende lineare Gleichungssystem: b a 2 3a 1

Lösungsvorschlag zur Modulprüfung Numerische Methoden - Wintersemester 2016/17

Eigenwerte und Eigenvektoren von Matrizen

5 Eigenwerte und die Jordansche Normalform

Lineare Algebra und Numerische Mathematik für D-BAUG

Rückblick auf die letzte Vorlesung. Bemerkung

6 Symmetrische Matrizen und quadratische Formen

6 Eigenwerte und Eigenvektoren

Lineare Algebra und Numerische Mathematik D-BAUG. Sommer 2012 Prof. H.-R. Künsch

4x 1 + 2x 2 + 3x 3 = 1, x 2 + ax 3 = 1, ax 2 + x 3 = a 1. 0 a 1 1 Wir führen nun den Gauÿalgorithmus durch:

2. Geben Sie für das Jacobi-Verfahren eine scharfe a-priori Abschätzung für den Fehler. x (10) x p

Aussagenlogik. Lehrstuhl für BWL, insb. Mathematik und Statistik Prof. Dr. Michael Merz Mathematik für Betriebswirte I Wintersemester 2015/2016

Lineare Algebra für D-ITET, D-MATL, RW. Beispiellösung für Serie 9. Aufgabe 9.1. Herbstsemester Dr. V. Gradinaru D. Devaud A.

Überbestimmte Gleichungssysteme

Aussagenlogik. Lehrstuhl für BWL, insb. Mathematik und Statistik Prof. Dr. Michael Merz Mathematik für Betriebswirte I Wintersemester 2018/2019

Eigenwerte (Teschl/Teschl 14.2)

Eigenwerte. Ein Eigenwert einer quadratischen n n Matrix A ist ein Skalar λ C (eine komplexe Zahl) mit der Eigenschaft Ax = λx (1)

( ) Lineare Gleichungssysteme

6 Eigenwerte und Eigenvektoren

TU Ilmenau Institut für Mathematik FG Numerische Mathematik und Informationsverarbeitung PD Dr. W. Neundorf Datei: UEBG2.TEX

18.2 Implizit definierte Funktionen

Grundlagen der Mathematik II (LVA U)

Ausgleichsproblem. Definition (1.0.3)

Aussagenlogik. Lehrstuhl für BWL, insb. Mathematik und Statistik Prof. Dr. Michael Merz Mathematik für Betriebswirte I Wintersemester 2012/2013

Probeklausur zu Mathematik 2 für Informatik

Aussagenlogik. 1. Gegeben seien folgende Aussagen: A: 7 ist eine ungerade Zahl. C: 2 ist eine Primzahl D: 7 7. F: 3 ist Teiler von 9

Vorlesung Mathematik für Ingenieure 3 (Wintersemester 2009/10)

Kleingruppen zur Service-Veranstaltung Mathematik I fu r Ingenieure bei Prof. Dr. G. Herbort im WS12/13 Dipl.-Math. T. Pawlaschyk,

Einführung in numerische Methoden für Ingenieure (nach A. Quarteroni, F. Saleri: Wissenschaftliches Rechnen mit MATLAB)

Einführung in MATLAB Blockkurs DLR:

2 a 6. a 4 a Wir führen nun den Gauÿalgorithmus durch: 2 a a 2 4a 2 4a a a 2 2a 0 2 a

Klausur DI/LA F 2006 LA : 1

Aufgaben und Lösungen zur Abschlußklausur zur Mathematik 1 (Wiederholer und Nachzügler) vom

Institut für Geometrie und Praktische Mathematik

Eigenwerte (Teschl/Teschl 14.2)

Institut für Geometrie und Praktische Mathematik

Gauss-Algorithmus. 1. Hausaufgabe: Rang einer Matrix Bestimmen Sie den Rang der Matrix

Lineare Algebra und Numerische Mathematik D-BAUG. Winter 2013 Prof. H.-R. Künsch. , a R. det(a) = 0 a = 1.

Numerische Mathematik mit Matlab

Diplomvorprüfung LA H 06 VD : 1

Serie 8: Online-Test

Höhere Mathematik II für die Fachrichtung Physik

Serie 8: Online-Test

Höhere Mathematik II für die Fachrichtung Physik. Übungs- und Scheinklausur

Lineare Algebra I für Mathematiker Lösungen

Ausgewählte Lösungen zu den Übungsblättern 9-10

Übung 5. Symbolische/Nummerische Integralrechnung. clear all clc. syms x % Definition symbolischer Variablen

K. Eppler, Inst. f. Num. Mathematik Übungsaufgaben. 14. Übung: Woche vom (Lin.Alg.

9. Übungsblatt zur Mathematik I für Maschinenbau

MC-Serie 11: Eigenwerte

9.1 Eine Gleichung mit einer Unbekannten exakt lösen x Beispiel 1: Die Gleichung x 2 = 4 lösen. solve( x / (x 2) = 4, x ); 8 3

Name: Matr.-Nr.: 2. Aufgabe 1. Gegeben sei die Matrix

Fachbereich Mathematik/Informatik 16. Juni 2012 Prof. Dr. H. Brenner. Mathematik für Anwender II. Testklausur mit Lösungen

(d) das zu Grunde liegende Problem gut konditioniert ist.

6 Symmetrische Matrizen und quadratische Formen

6.2. Prüfungsaufgaben zur Lösbarkeit von LGS

Mathematik für Wirtschaftswissenschaftler I (Lineare Algebra) 2. Klausur Wintersemester 2011/

Klausurenkurs zum Staatsexamen (SS 2015): Lineare Algebra und analytische Geometrie 2

Lösungen zu Mathematik I/II

Nichtlineare Gleichungen, mehrere Unbekannte

Klausur zum Grundkurs Höhere Mathematik I

Konvexe Menge. Eine Menge D R n heißt konvex, wenn für zwei beliebige Punkte x, y D auch die Verbindungsstrecke dieser Punkte in D liegt, d.h.

Modulprüfung Numerische Mathematik 1

Kommentierte Musterlösung zur Klausur HM II für Naturwissenschaftler

Tutorium Mathematik II, M Lösungen

Diplom VP Numerik 28. August 2006

1. Übungsblatt: Lineare Algebra II Abgabe: 8./ in den Übungsgruppen

Mathematik für Betriebswirte I (Lineare Algebra) 2. Klausur Wintersemester 2017/

Mathematik für Studierende der Fachrichtungen Biologie, Chemie, Lebensmittelchemie und Erziehungswissenschaften Blatt 2

y hom (x) = C e p(x) dx

Höhere Mathematik für die Fachrichtung Physik

Lineare Algebra und Numerische Mathematik für D-BAUG

Aufgabe 1. Berechnen Sie die absolute und die relative Kondition des Problems x f(x) für die Abbildung. x = x 2 e x 1.

Lineare Algebra für Ingenieure

18 λ 18 + λ 0 A 18I 3 = / Z 2 Z 2 Z Z Z 1

Lösungsvorschlag zur Nachklausur zur Analysis

VF-2: 2. Es seien x = 1 3 und y = π Bei der Berechnung von sin(x) sin(y) in M(10, 12, 99, 99) tritt. Auslöschung auf.

Lineare Algebra und Numerische Mathematik für D-BAUG. Sommer 2016

eps für alle x D. 4. Die Zahl 256 ist in M(2, 4, 6, 6) exakt darstellbar.

cos(x)cos(2x)cos(4x) cos(2 n x) = sin(2n+1 x) 2 n+1 sin(x) = sin(2n+2 x) 2 n+2 sin(x).

Klausurenkurs zum Staatsexamen (SS 2013): Lineare Algebra und analytische Geometrie 3 Lösungsvorschlag

Lineare Algebra für D-ITET, D-MATL, RW. Serie 13. Aufgabe Aufgabe Aufgabe Herbstsemester ETH Zürich D-MATH

Mathematik für Betriebswirte I (Lineare Algebra) 2. Klausur Wintersemester 2016/

Kommentierte Musterlösung zur Klausur HM II für Naturwissenschaftler

Musterlösung. Aufgaben zu Iterative Lösung Linearer Gleichungssysteme. Vordiplomskurs Numerische Methoden Sommer 2008

Gruppe II Lineare Algebra

Lineare Algebra und Numerische Mathematik für D-BAUG. Winter 2016 Typ B

Lösung zu Serie [Aufgabe] Faktorisieren Sie die folgenden Polynome so weit wie möglich:

Lineare Algebra und Numerische Mathematik D-BAUG Winter 2013 Prof. H.-R. Künsch. Regeln Multiple Choice:

Analysis II. Aufgaben zum Stoff der Analysis I und II Lösungsvorschlag

Lineare Algebra und Numerische Mathematik für D-BAUG. Serie 13

Überbestimmte Gleichungssysteme, Regression

Musterlösungen zur Linearen Algebra II Übungsklausur

Transkript:

Dipl.-Math. Robert Offinger Wintersemester 6/7 Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Fakultät für Mathematik Materialien zur Vorlesung Mathematik III für Ingenieure Ergänzungen zur Einführung in Matlab R und Scilab. Lineare Gleichungssysteme. Eigenwerte, Eigenvektoren 3. QR-, Cholesky-Zerlegung und positive Definitheit 4. Programmierung: Newton-Verfahren 5. Einfache Grafiken 6. Symbolisches Rechnen Die Einführung in Matlab R und Scilab ist wie dieses Dokument im Internet verfügbar unter http://www.math.uni-magdeburg.de/ rooff/mathe3/

Lineare Gleichungssysteme Hat man eine m n Matrix A und einen m Vektor b definiert, so kann man mit dem \ -Operator das zugehörige Gleichungssystem Ax = b lösen. Ist die Matrix A quadratisch und hat sie vollen Rang, dann ist die Lösung eindeutig und nichts weiter zu beachten. Ist die Matrix quadratisch, hat sie jedoch keinen vollen Rang, erhält man eine Warnung: >> A=[ 3 ; 4 ; 7 ] ; >> b = [ ; ; 7 ] ; >> A\b >> B=[ ; ; ] ; >> B\b Warning : Matrix i s s i n g u l a r to working p r e c i s i o n. NaN Inf Inf Ist die Matrix nicht quadratisch, so erhält man auch in Fällen mit unendlich vielen Lösungen oder keiner Lösung als Ergebnis immer einen Vektor! Ist das Gleichungssystem unlösbar, so erhält man die sogenannte Least-Squares-Lösung: Es wird dann versucht, einen bestmöglichen Lösungsvektor x zu finden in dem Sinne, dass Ax b minimal wird, d.h. Ax b = min x Ax b. Diese Fälle erkennt man daran, dass der Rang von A kleiner als der Rang der erweiterten Matrix [A, b] ist. >> B=[ ; ; ; ] ; >> b = [ ; ; ; ] ; >> x=b\b Warning : Rank d e f i c i e n t, rank =, t o l =.986 e 5. x =.5.5 >> B x.. >> rank (B)

>> rank ( [ B, b ] ) 3 Gibt es dagegen unendlich viele Lösungen, d.h. in Fällen mit Rang(A) = Rang([A, b]) < n, so wird nur eine spezielle Lösung (mit höchstens k = Rang(A) vielen Einträgen ungleich ) ausgegeben. Die allgemeine Lösung erhält man in diesem Fall, indem man noch den Nullraum berechnet, in unserem Falle ergibt sich die Lösungsmenge {(.5,,.5) t + λ(,, ) t : λ R}. Ist der Nullraum mehrdimensional, so geben die Spalten der Resultatsmatrix eine Basis des Nullraums an, hier N (D) = span{(,,, ) t, (,,, ) t } für die angegebene 4-Matrix D. Der Parameter r sorgt jeweils dafür, dass statt normierter Vektoren solche mit rationalen Einträgen ausgegeben werden. >> C=[ ; ] ; >> c = [ ; ] ; >> C\ c.5.5 >> rank (C) >> rank ( [ C, c ] ) >> null (C).48.865.48 >> null (C, r ) >> D=[ ; ] ; >> null (D, r ) Wollte man im Fall einer singulären quadratischen n n Matrix A für das Gleichungssystem Ax = b eine Least-Squares-Lösung (falls Rang(A) < Rang([A, b])) bzw. eine spezielle Lösung (falls Rang(A) = Rang([A, b]) < n), dann müsste man x = pinv(a)*b verwenden. 3

Eigenwerte, Eigenvektoren Die Eigenwerte einer Matrix erhält man mit der Funktion eig. Will man daneben noch die Eigenvektoren, muss man das Ergebnis einem Vektor zweier Variablen zuweisen. Der erste Eintrag, hier die Matrix V, enthält in den Spalten normierte Eigenvektoren, der zweite Eintrag, die Matrix D, ist die Diagonalmatrix der zugehörigen Eigenwerte, so dass V DV = F (in Matlab-Schreibweise: inv(v)*d*v) bzw. sogar V t DV = F (in Matlab- Schreibweise: V *D*V) gilt, falls die Voraussetzungen dazu erfüllt sind (siehe Theorem.4 bzw. Theorem.). Warnung: Falls algebraische und geometrische Vielfachheiten nicht übereinstimmen sollten, sind die Spalten der Matrix der Eigenvektoren nicht linear unabhängig! >> F=[6 ; 5 ; 9 ] ; >> eig (F) 5 5 >> [V,D]= eig (F) V =.6.8..8.6 D = 5 5 >> [ V, D]= eig ( [ ; ] ) ; V V =... 3 QR-, Cholesky-Zerlegung und positive Definitheit Eine QR-Zerlegung einer Matrix ermittelt die Funktion qr. Um beide Ergebnismatrizen angezeigt zu bekommen, muss man wieder an einen Vektor zweier Variablen zuweisen. >> G=[ 3 ; ; 3 ] ; >> [ Q,R]=qr (G) Q =.48.5774.77.865.5774..48.5774.77 R =.4495.4495.4 3.464.547.77 4

Die Cholesky-Zerlegung ist für positiv definite (und damit insbesondere symmetrische) Matrizen möglich. Matlab R führt dabei einen Test auf positive Definitheit durch, so dass man nicht die Eigenwerte ausrechnen und nachsehen muss, ob alle positiv sind. Für das berechnete Ergebnis (eine rechte Dreiecksmatrix) R der Cholesky-Zerlegung von H gilt dann R t R = H (in Matlab-Schreibweise: R *R), d.h. mit der linken Dreiecksmatrix L = R t gilt dann wie im Skript LL t = H (Theorem.3). >> F=[6 ; 5 ; 9 ] ; >> chol (F)??? Error using ==> chol Matrix must be p o s i t i v e d e f i n i t e. >> H=[ ; ; 5 ] ; >> eig (H).. 7. >> R=chol (H) R =.44.77.44.47.865.575 4 Programmierung: Newton-Verfahren Ein übliches Verfahren zur Lösung einer nichtlinearen Gleichung f(x) = (zu einer Funktion f : R R) ist das Newton-Verfahren, das wir hier zu Demonstrationszwecken programmieren. In Matlab R steht zur Lösung von nichtlinearen Gleichungssystemen die Funktion fsolve zur Verfügung, mit der wir dann unsere Lösung vergleichen. Das Newton-Verfahren besteht darin, zu einem gegebenen geeigneten Startwert x iterativ die Punkte x k+ = x k f(x k), k =,,,... f (x k ) zu berechnen und geeignet abzubrechen. Wir brechen hier (etwas naiv) ab, wenn die Änderung in den x-werten gering ist, d.h. falls x k+ x k ɛ für einen vorher gewählten Wert ɛ, oder - weniger erfolgreich mit einer Fehlermeldung - falls k > k max ist, d.h. eine vorher gewählte Maximalanzahl k max an Iterationen überschritten wird. Der Funktion newtonsolve, die in einer eigenen Datei mit dem Namen newtonsolve.m (einer sogenannten m-datei) im aktuellen Verzeichnis steht, werden dabei die Funktion f (Parameter func), ein Startwert x (Parameter startval), die Ableitung f (Parameter func_deriv), die gewünschte Genauigkeit ɛ (Parameter epsi) und die Maximalanzahl k max an Iterationen (Parameter max_steps) übergeben. Die Funktion f und die Ableitung f stehen unter dem Namen newtfunc bzw. newtablfunc wieder jeweils in einer eigenen m-datei namens newtfunc.m bzw. newtablfunc.m. Genauer wird beim Aufruf von newtonsolve ein sogenanntes Handle auf diese Funktionen übergeben, daher das einleitende @ -Zeichen bei der Übergabe der Funktionen. Wie auch bei der Verwendung 5

der Funktion fsolve geschehen, könnte alternativ die Funktion und Ihre Ableitung einmalig beim Funktionsaufruf ( inline ) definiert werden mittels des Aufrufs newtonsolve(@(x) x - exp(-/*x),,@(x) +/*exp(-/*x),e-6,). function y = newtfunc ( x ) y = x exp( / x ) ; function y=newtablfunc ( x ) y=+/ exp( / x ) ; function y = newtonsolve ( func, s t a r t v a l, f u n c d e r i v, epsi, max steps ) % L o e s u n g d e r n i c h t l i n e a r e G l e i c h u n g f u n c = mit H i l f e d e s % N e w t o n v e r f a h r e n s ; Abbruch, f a l l s d i e G e n a u i g k e i t e p s i e r r e i c h t % o d e r nach m a x s t e p s I t e r a t i o n e n % I n p u t p a r a m e t e r : % f u n c n i c h t l i n e a r e G l e i c h u n g mit f u n c = % s t a r t v a l S t a r t w e r t d e r I t e r a t i o n ( kann auch komplex s e i n ) % f u n c d e r i v A b l e i t u n g von f u n c nach d e r u n a b h a e n g i g e n V a r i a b l e n % e p s i G e n a u i g k e i t d e s E r g e b n i s s e s % m a x s t e p s M a x i m a l z a h l an I t e r a t i o n e n % % O u t p u t p a r a m e t e r : % y N u l l s t e l l e von f u n c xold = s t a r t v a l ; % H i l f s v a r i a b l e xnew = s t a r t v a l ; d i f f e r = e p s i ; % Laenge d e s a k t u e l l e n I n t e r v a l l s s t e p s = ; % Anzahl d e r b e r e i t s d u r c h g e f u e h r t e n S c h r i t t e while ( abs ( d i f f e r ) > e p s i ) & ( s t e p s < max steps ) abl = f u n c d e r i v ( xold ) ; i f ( abl==) error ( Ableitung hat N u l l s t e l l e ) end ; xnew = xold func ( xold )/ abl d i f f e r = xnew xold ; xold = xnew ; s t e p s = s t e p s + ; end i f s t e p s >= max steps error ( k e ine Konvergenz des Newton Verfahrens ) ; else y = xnew ; end Wir testen unser Programm für die Funktion f : R R, f(x) = x exp( x/) mit der Ableitung f (x) = +/ exp( x/). Die Funktion ist also streng monoton steigend. Der Graph der Funktion ist im Abschnitt 5 zu finden. Wir starten hier mit dem Startwert x = (beachte: f() = und f().39). Nach wenigen Schritten erreichen wir die gewünschte Genauigkeit für ɛ = 6 und ein vergleichbares Ergebnis wie Matlab R. Da 6

im Programm in der Zeile xnew = xold - func(xold)/abl kein abschließender Strichpunkt steht, wird der aktuelle Wert von x k+ in jeder Iteration mit ausgegeben. Um mehr gültige Stellen zu sehen, verwendeten wir zudem vor dem Programmaufruf den Befehl format long. Mit dem Befehl format short schaltet man wieder zur kurzen Ausgabe mit weniger gültigen Stellen zurück. >> format long >> newtonsolve ( @newtfunc,, @newtablfunc, e 6,) xnew =.6988968567 xnew =.7346553974 xnew =.7346744986 xnew =.73467449839.73467449839 >> x=f s o l v e (@( x ) x exp( / x ), ) Optimization terminated: first-order optimality is less than options.tolfun. x =.7346744987 >> format s h o r t 5 Einfache Grafiken 3 sqrt(x. + y. )..8.6.4..8.6 3.5.5.5.5 3.5 y.5..4 x.6.8 >> x = :.:3; >> y=newtfunc ( x ) ; >> plot ( x, y ) >> grid on >> grid o f f >> e z p l o t ( @newtfunc ) >> e z p l o t ( @newtfunc, [, 3 ] ) >> fh = @( x, y ) sqrt ( x. ˆ + y. ˆ ) ; >> e z s u r f ( fh, [, ], [ /, ] ) 7

Wir wiederholen kurz den Plot einer eindimensionalen Funktion, hier für obige Funktion f(x) = x exp( x/) im Intervall x 3. Mittels grid on legt man dabei ein Liniengitter über die Grafik, das man mit grid off wieder löschen kann. Man sieht so gut die Nullstelle bei x.7. Alternativ kann man die Funktion ezplot verwenden. Ferner wollen wir noch den Graph der Funktion f : R R, f(x, y) = x + y im Intervall x und / y ausgeben und verwenden dazu ezsurf, den einfachsten Befehl, der hierzu verfügbar ist. Weitere Informationen zu diesem und Querverweise zu ähnlichen (und komplizierteren) Befehlen mit vielen zusätzlichen Optionen erhält man z.b. mit dem Befehl doc ezsurf. 6 Symbolisches Rechnen Im Gegensatz zu Scilab kann Matlab R mit Hilfe der Symbolic Math Toolbox etwas symbolisch rechnen, wobei es dabei auf Routinen des Programms Maple R zurückgreift. Oft ist es in solchen Fällen empfehlenswert, dann gleich das Programm Maple R zu benutzen; trotzdem demonstrieren wir das Vorgehen in Matlab R. Nachdem die symbolischen Variablen x und y definiert wurden, kann man in dem Ausdruck y 3 x 4 die partielle Ableitung nach x oder nach y berechnen lassen. Ansonsten bestimmen wir noch die Jacobi-Matrix zur Funktion f(x, y) = ( y 3 x 4, exp( x y) ) und werten diese im Punkt (x, y) = (, ) aus. Abschließend lassen wir noch die gewöhnliche Differentialgleichung.Ordnung ( x )y xy + 6y = mit den Randwertbedingungen y() = y( ) = lösen und erhalten als Lösung die Funktion y(x) = + 3 x. >> syms x y >> f=yˆ3 x ˆ( 4); >> d i f f ( f, x ) 4 yˆ3/xˆ5 >> d i f f ( f, y ) 3 yˆ/xˆ4 >> j a c=j a c o b i a n ( [ yˆ3 x ˆ( 4);exp( xˆ y ) ] ) j a c = [ 4 yˆ3/x ˆ5, 3 yˆ/x ˆ 4 ] [ x exp( xˆ y ), exp( xˆ y ) ] >> subs ( jac, { x, y },{,}) 3...996.498 >> y=dsolve ( ( x ˆ) Dy x Dy+6 y=, y()=, y( )=, x ) y = /+3/ xˆ Hinweis: Die Ein- und Ausgabe geschah jeweils unter der Version 7. von Matlab R. 8