Lineare Gleichungssysteme Hierarchische Matrizen

Ähnliche Dokumente
Finite Elemente I 2. 1 Variationstheorie

Der CG-Algorithmus (Zusammenfassung)

Kurze Einführung in die Finite-Elemente-Methode

Beginn der Vorlesung zur Numerik I (Wintersemester 2010/2011)

Numerik partieller Differentialgleichungen I

Iterative Verfahren, Splittingmethoden

Kevin Caldwell. 18.April 2012

1 Matrizenrechnung zweiter Teil

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

Einführung. Vita Rutka. Universität Konstanz Fachbereich Mathematik & Statistik AG Numerik SS 2009

Numerische Mathematik für Ingenieure und Physiker

Optimierung. Optimierung. Vorlesung 2 Optimierung ohne Nebenbedingungen Gradientenverfahren Thomas Brox, Fabian Kuhn

1 Singulärwertzerlegung und Pseudoinverse

Rückblick auf die letzte Vorlesung. Bemerkung

Numerische Lineare Algebra

Modellieren in der Angewandten Geologie II. Sebastian Bauer

Iterative Lösung Linearer Gleichungssysteme

Prof. Dr.-Ing. Christopher Bode. Finite-Elemente-Methode

Methode der kleinsten Quadrate

Serie 8: Fakultativer Online-Test

Parallele und verteilte Programmierung

1 Einführung, Terminologie und Einteilung

Allgemeines Gleichungssystem mit zwei Gleichungen und zwei Variablen. Der erste Index bezeichnet die Nummer der Zeile, der zweite die der Spalte.

Rechenaufwand der LR- und LDL T - Zerlegung

Inhaltsverzeichnis. 2 Anwendungsfelder und Software Problemklassen Kommerzielle Software 12

Matrizenoperationen mit FORTRAN

Matrizen, Gaußscher Algorithmus 1 Bestimmung der inversen Matrix

Lineare Gleichungssysteme

4.5 Überbestimmte Gleichungssysteme, Gauß sche Ausgleichrechnung

Iterative Lösung großer Gleichungssysteme, UE SS Angaben + Ausarbeitungen zu Übung 1, mit Anmerkungen

9. Übung zur Linearen Algebra II -

3 Matrizenrechnung. 3. November

31 Die Potentialgleichung

Kleine Formelsammlung zu Mathematik für Ingenieure IIA

18.2 Implizit definierte Funktionen

Zusatzübung Wintersemester 2010/11 1

Computational Biology: Bioelektromagnetismus und Biomechanik

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

3.6 Approximationstheorie

Lösungsskizzen zur Klausur

Nebenfach Mathematik im Informatik-Studium. Martin Gugat FAU: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg 26.

Stochastische FEM mit elementaren Zufallselementen

5.3 Iterative Lösungsverfahren für lineare Gleichungssysteme

3 Optimierung mehrdimensionaler Funktionen f : R n R

Überbestimmte Gleichungssysteme

Aufgabensammlung aus Mathematik 2 UMIT, SS 2010, Version vom 7. Mai 2010

9 Optimierung mehrdimensionaler reeller Funktionen f : R n R

Finite Elemente in Materialwissenschaften

Normalengleichungen. Für eine beliebige m n Matrix A erfüllt jede Lösung x des Ausgleichsproblems Ax b min die Normalengleichungen A t Ax = A t b,

Mathematik II für Studierende der Informatik. Wirtschaftsinformatik (Analysis und lineare Algebra) im Sommersemester 2016

16 Vektorfelder und 1-Formen

Inhaltsverzeichnis. Vorwort... v Vorwort zur ersten Auflage... vi Bezeichnungen... xiii

Nichtlineare Gleichungssysteme

CARL HANSER VERLAG. Wolfgang Eichholz, Eberhard Vilkner. Taschenbuch der Wirtschaftsmathematik

Übungsaufgaben. Grundkurs Höhere Mathematik für Wirtschaftswissenschaftler. Teil 1: Lineare Algebra und Optimierung.

20 Kapitel 2: Eigenwertprobleme

Inhaltsverzeichnis. Vorwort zur ersten Auflage. Bezeichnungen

Klausurlösung Einführung in Numerische Methoden und FEM Universität Siegen, Department Maschinenbau,

Das Geheimnis. der Kaffeetasse

A2.3 Lineare Gleichungssysteme

1 Einführung Allgemeine Bemerkungen Einleitende Beispiele Überblick... 10

Numerische Behandlung linearer und semilinearer partieller differentiell-algebraischer Systeme mit Runge-Kutta-Methoden.

Mehrgitter-Verfahren für DG Finite-Elemente-Diskretisierungen von turbulenten Strömungen

Großes Lehrbuch der Mathematik für Ökonomen

Numerik für Informatiker, Elektrotechniker und Naturfreunde von Michael Lehn

6 Symmetrische Matrizen und quadratische Formen

Einführung FEM, 1D - Beispiel

MATHEMATIK. Numerische Mathematik. Hans-Görg Roos/Hubert Schwetlick. Das Grundwissen für jedermann. B. G. Teubner Stuttgart Leipzig

Übungen zu Einführung in die Numerische Mathematik (V2E2) Sommersemester 2016

Gliederung. Links-Rechts-Zerlegung Elimination faktorisiert A = L R. Determinante Inverse. Kleinste Quadrate. Lösung durch. Links-Rechts- Zerlegung

Lineare Algebra II 8. Übungsblatt

Ausgewählte Lösungen zu den Übungsblättern 4-5

Lineare Abbildungen (Teschl/Teschl 10.3, 11.2)

1 Geometrie - Lösungen von linearen Gleichungen

Einführung in die höhere Mathematik 2

Vektor und Matrixnormen Vorlesung vom

6 Hauptachsentransformation

3.6 Eigenwerte und Eigenvektoren

Lineare Gleichungssysteme (Teschl/Teschl 11.1)

2. Potentialströmungen

37 Gauß-Algorithmus und lineare Gleichungssysteme

Inhaltsverzeichnis Einleitung Mathematische Grundlagen

D-MATH Numerische Methoden FS 2016 Dr. Vasile Gradinaru Alexander Dabrowski. Serie 9

Lineare Abbildungen (Teschl/Teschl 10.3, 11.2)

Lineare Ausgleichsprobleme. Jetzt: Lösung überbestimmter linearer GS, d.h. mehr Gleichungen als Unbekannte

Inexakte Newton Verfahren

Algorithmische Mathematik und Programmieren

Finite Differenzen und Elemente

Funktionen mehrerer Variabler

D-MAVT NUMERISCHE MATHEMATIK FS 14 K. Nipp, A. Hiltebrand Lösung vom Test 1

Lineare Algebra und Numerische Mathematik für D-BAUG

4.1 Motivation von Variationsmethoden Variationsmethoden im Sobolevraum Motivation von Variationsmethoden

Vertiefung Numerische Mathematik für den Masterstudiengang UTRM. R. Verfürth

Mathematik für Wirtschaftswissenschaftler, WS 10/11 Musterlösungen zu Aufgabenblatt 11

Wir untersuchen in diesem Abschnitt das (lokale) Newton Verfahren zur Lösung eines nichtlinearen Gleichungssystems

4.2.3 LR-Zerlegung für diagonaldominante Matrizen

Musterlösungen Online Zwischentest - Serie 10

Lineare Gleichungssysteme

4.4. Rang und Inversion einer Matrix

Transkript:

Kompaktkurs Lineare Gleichungssysteme Hierarchische Matrizen M. Bebendorf, O. Steinbach O. Steinbach Lineare Gleichungssysteme SIMNET Kurs 24. 27.4.26 / 6

Numerische Simulation stationäre und instationäre partielle Differentialgleichungen Potentialgleichung (Temperatur, elektromagnetische Felder,... ) Festkörpermechanik (lineare Elastostatik, Elastoplastizität,... ) Strömungsmechanik (Stokes, Navier Stokes) Kopplung verschiedener physikalischer Felder Fluid Struktur Akustik elektromechanische Felder Mehrkörpersysteme Diskretisierung Finite Element Methoden Finite Differenzen Methoden Randelementmethoden Zeitdiskretisierung Familie von linearen (nichtlinearen) Gleichungssystemen Ax = f, A R n n, n O. Steinbach Lineare Gleichungssysteme SIMNET Kurs 24. 27.4.26 2 / 6

Lineares Gleichungssystem Ax = f, A R n n, n Beschreibung und Anwendung der Systemmatrix A A heißt vollbesetzt, falls Anzahl der Nichtnullelemente von A von der Größenordnung O(n 2 ) ist. A heißt schwachbesetzt, falls Anzahl der Nichtnullelemente von A von der Größenordnung O(n log α n) ist. A heißt data sparse, falls A n 2 Nichtnullelemente besitzt, diese aber durch O(n log α n) Einträge beschrieben werden kann. A = B a a 2 a n a n a a 2... a 2 a n a A, A = B. n A (... n) = B... n.. n... n 2 A zirkulante Matrix (n Einträge) Struktur der Matrix A Rang Matrix (2n Einträge) O. Steinbach Lineare Gleichungssysteme SIMNET Kurs 24. 27.4.26 3 / 6

Lineares Gleichungssystem Ax = f, A R n n, n Lösungsverfahren direkte Verfahren Gauß Elimination mit O(n 3 ) Multiplikationen LU Zerlegung (holesky) mit O(n 3 ) Multiplikationen schnelle direkte Methoden für schwachbesetzte Matrizen strukurierte Matrizen (zirkulante Matrizen, FFT) Frage: Wird tatsächlich die exakte Lösung x = A f benötigt? Modellierungsfehler Diskretisierungsfehler Verfahrensfehler (numerische Integration, Rundungsfehler) Hinreichend genaue Lösung ist ausreichend! Iterationsverfahren klassische Iterationsverfahren (Jacobi, Gauß Seidel, SOR) Gradientenverfahren (steilster Abstieg, minimaler Defekt) Verfahren orthogonaler Richtungen (G, GMRES, BiGStab) Ziel: Effiziente Lösung von Au = f für n. O. Steinbach Lineare Gleichungssysteme SIMNET Kurs 24. 27.4.26 4 / 6

Beispiel: Bestimmung einer stückweise linearen Approximation u h (x) = u k ϕ k (x) k= ϕ k (x) Minimierungsproblem x k [ 2 n F (u) = u(x) u k ϕ k (x)] dx min, F (u) = u,...,u n u l Variationsproblem n k= u k Lineares Gleichungssystem k= ϕ k (x)ϕ l (x)dx = M h u = f, M h [l, k] = u(x)ϕ l (x)dx n ϕ k (x)ϕ l (x)dx für l =,..., n O. Steinbach Lineare Gleichungssysteme SIMNET Kurs 24. 27.4.26 5 / 6

Systemmatrix M h = h 6 2 4............ R (n+) (n+) 4 2 M h ist symmetrisch M h ist streng diagonal dominant (nur in einer Raumdimension) M h ist tridiagonal (nur in einer Raumdimension) M h ist positiv definit (gilt für beliebige Ansatzfunktionen) M h ist schwach besetzt (3n + Nichtnulleinträge) O. Steinbach Lineare Gleichungssysteme SIMNET Kurs 24. 27.4.26 6 / 6

Beispiel für n = 7 M h = 4 29 B M h = 42 B 2 4 4 4 4 4 4 2 542 35 362 97 26 7 2 35 272 724 94 52 4 4 2 362 724 2534 679 82 49 4 7 97 94 679 2522 676 82 52 26 26 52 82 676 2522 679 94 97 7 4 49 82 679 2534 724 362 2 4 4 52 94 724 272 35 2 7 26 97 362 35 542 Matrix M h schwach besetzt, aber inverse Matrix M h vollbesetzt Frage: Gibt es eine Struktur in der Darstellung von M A h? A O. Steinbach Lineare Gleichungssysteme SIMNET Kurs 24. 27.4.26 7 / 6

M h = 42 B 2 4 4 4 4 4 4 2 A M h M h 362 = 4 97 29 B B 542 35 35 272 2 «` 362 97 «` 2 2534 679 679 2522 26 7 2 ` A 2 7 26 2 ist exakt als Hierarchische Matrix darstellbar! B 2 ` 7 A 26 7 2 26 «2522 679 97 ` 2 679 2534 362 «` 272 35 A 97 362 35 542 O. Steinbach Lineare Gleichungssysteme SIMNET Kurs 24. 27.4.26 8 / 6

Beispiel: Finite Element Methoden Dirichlet Randwertproblem für Poisson Gleichung u(x) = d 2 x 2 i= i u(x) = f (x) für x R d, u(x) = für x Variationsproblem u(x) v(x)dx = f (x)v(x)dx, u(x), v(x) = für x Diskretisierung mit stückweise linearen finiten Elementen K h u = f, K h [l, k] = ϕ k (x) ϕ l (x)dx mit FEM Steifigkeitsmatrix K h K h ist symmetrisch und positiv definit K h ist schwach besetzt O. Steinbach Lineare Gleichungssysteme SIMNET Kurs 24. 27.4.26 9 / 6

Beispiel: d = n = 9 K h = 9 B K h = h B 2 2...... R (n ) (n )...... 2 A 2 ««8 7 ` 6 5 7 «4 2 «6 ` 8 5 2 5 5 2 4 B 3 2 A ` 2 3 4 B 2 3 4 A ` 4 3 2 ««2 5 5 ` 2 5 «8 6 «2 ` 4 7 5 6 7 8 A K h ist exakt als Hierarchische Matrix darstellbar! O. Steinbach Lineare Gleichungssysteme SIMNET Kurs 24. 27.4.26 / 6

Neumann Randwertproblem für Laplace Gleichung u(x) = für x, u(x) = g(x) n für x u = ist Lösung des homogenen Neumann Randwertproblems u(x) = für x, n u(x) = Randwertproblem ist nicht eindeutig lösbar! Variationsproblem u(x) v(x)dx = g(x)v(x)ds x für x Lösbarkeitsbedingung v = : g(x)ds x = O. Steinbach Lineare Gleichungssysteme SIMNET Kurs 24. 27.4.26 / 6

FEM Diskretisierung (d = ) K h u = f, K h [l, k] = ϕ k (x) ϕ l (x)dx mit FEM Steifgkeitsmatrix 2 2 K h =...... R (n+) (n+) h...... B 2 A 2 K h ist symmetrisch K h ist schwachbesetzt K h ist singulär (Eigenvektor u = ) O. Steinbach Lineare Gleichungssysteme SIMNET Kurs 24. 27.4.26 2 / 6

Erweitertes Variationsproblem u(x) v(x)dx + u(x)dx v(x)dx = g(x)v(x)ds x v = liefert Skalierungsbedingung u(x)dx = modifzierte Steifigkeitsmatrix K h = K h + a a, a k = ϕ k (x)dx Kh ist symmetrisch und positiv definit Kh ist data sparse O. Steinbach Lineare Gleichungssysteme SIMNET Kurs 24. 27.4.26 3 / 6

Beispiel: Stokes System u(x)+ p(x) = f (x), div u(x) = für x, u(x) = für x mit Geschwindigkeitsfeld u und Druck p. Bemerkung: Druck ist nur eindeutig bis auf additive Konstante! Erweitertes Variationsproblem u(x) v(x)dx + p(x)v(x)dx = div u(x)q(x)dx + p(x)dx q(x)dx = f (x)v(x)dx O. Steinbach Lineare Gleichungssysteme SIMNET Kurs 24. 27.4.26 4 / 6

Erweitertes Variationsproblem u(x) v(x)dx + p(x)v(x)dx = div u(x)q(x)dx + p(x)dx q(x)dx = f (x)v(x)dx FEM Diskretisierung ( Ah B h ) ( u ) ( f ) B h a a p = Voraussetzung: diskrete Stabilitätsbedingung Systemmatrix positiv definit, aber Block schief symmetrisch Erweiterung auf nichtlineares Navier Stokes System O. Steinbach Lineare Gleichungssysteme SIMNET Kurs 24. 27.4.26 5 / 6

Literatur. R. Barrett et. al.: Templates for the Solution of Linear Systems. Building Blocks for Iterative Methods. SIAM, Philadelphia, 993. 2. A. Meister: Numerik linearer Gleichungssysteme. Eine Einführung in moderne Verfahren. Vieweg, Braunschweig, 999. 3. Y. Saad: Iterative Methods for Sparse Linear Systems. PWS Publishing, 995. 4. O. Steinbach: Lösungsverfahren für lineare Gleichungssysteme. Algorithmen und Anwendungen. B. G. Teubner, Stuttgart, Leipzig, Wiesbaden, 25. O. Steinbach Lineare Gleichungssysteme SIMNET Kurs 24. 27.4.26 6 / 6