FAV-ZCU/KMA NM/Zkouška/03. okruh.md

128 lines
5.7 KiB
Markdown

**Přímé metody pro řešení soustav lineárních algebraických rovnic. Gaussova eliminační metoda. LU a Choleského rozklad. Existence a jednoznačnost trojúhelníkového rozkladu. Stabilita trojúhelníkového rozkladu. Přímé metody pro soustavy se speciální maticí.**
### Soustava lineárních algebraických rovnic
Přímé metody
- metody, kde výpočet probíhá bez zaokrouhlovacích chyb, tedy zcela přesně
Formulace
- máme čtvercovou matici $A$ a vektor pravé strany $b$
- hledáme vektor $x$ takový, aby platilo $Ax = b$
- předpokládáme, že $A$ je **regulární** (tj. soustava má jedno řešení)
2 typy soustav
- soustavy s obecnou maticí
- přímé metody
- soustavy se speciální maticí (symetrická, řídká, ...)
- iterační nebo modifikovace přímých metod
Cramerovo pravidlo
- vypočítáme determinant matice $A$ a determinant matice $A_{i}$, kde $i$-tý sloupec nahradíme vektorem $b$
- $\displaystyle x_{i} = \frac{\det(A_{i})}{\det (A)}$
- nutno vypočítat $(n+1)$ determinantů
### Gausova eliminační metoda
- převedení matice na trojúhelníkový tvar sčítáním řádku s násobkem jiného
- cílem je vynulování části sloupce pod diagonálou
- trojúhelníkovou soustavu řešíme zpětným chodem
Efektivnost algoritmu GEM
- výpočet multiplikátoru + přímý chod + zpětný chod
- časová složitost $O(n^3)$
Realizovatelnost GEM
- může se stát, že algoritmus bude nucen při řádkových úpravách dělit nulou
- pro tyto případy normální GEM není realizovatelná a musíme použít GEM s pivotací
+ je-li matice $A$ **ostře diagonálně dominatní**, pak je algoritmus **GEM realizovatelný**
- absolutní hodnota čísla na diagonále je ostře větší než součet absolutních hodnot a ostatních čísel v tomto řádku
+ je-li matice $A$ **symetrická a pozitivně definitní**, pak je algoritmus **GEM realizovatelný**
- **pozitivně definitní** - má všechna vlastní čísla kladná
**GEM se sloupcovou pivotací**
- vždy vezmeme sloupec a najdeme v něm **největší absolutní hodnotu** a **prohodíme řádky** tak, aby **to číslo bylo na diagonále** (tím zajistíme, že nebudeme dělit nulou)
- nevýhodnou je prohledávání
- s postupující GEM se ale zrychluje - prohledáváme méně prvků
- řádková pivotace
- princip stejný, akorát je třeba zaměnit i příslušné složky řešení $x$ (prohození sloupců prohází složky řešení)
- GEM s pivotací je **realizovatelná pro libovolnou regulární matici** $A$
**Existence řešení**
- soustava $Ax = b$ má právě 1 řešení, když je $A$ regulární
- lineárně nezávislé řádky a sloupce
- $\det A \neq 0, \quad \forall \lambda \neq 0$
### Metoda LU-rozkladu
Spočívá v rozkladu matice $A$ na horní $U$ a dolní $L$ trojúhelníkovou matici.
- stejná přesnost i pracnost jako GEM
**LU-rozklad**
- $A$ ... regulární matice řádu N
- lze rozložit na $A = LU$
- $L$ ... dolní trojúhelníková matice řádu N
- $U$ ... horní trojúhelníková matice řádu N
LU-rozklad **existuje**, pokud lze provést pivotaci tak, aby se eliminovaly nuly na diagonále.
**Jednoznačnost LU-rozkladu**
- LU-rozklad **není jednoznačný**. Jednoznačnosti je možné dosáhnout tak, že si zvolíme diagonálu jedné z matic (např. do L dáme na diagonálu jedničky).
**Řešení soustavy LU-metodou**
1. zadáno $A, b$, provedeme LU-rozklad: $A = LU$
2. řešení trojúhelníkové soustavy: $Ly = b$ - hledám $y$
3. řešení trojúhelníkové soustavy: $Ux = y$ - hledám $x$
**Využití LU-metody**
- když počítáme více soustav, kde se mění pouze pravá strana $b$
- stačí provést pouze jeden LU-rozklad (náročný) a poté už jen několikrát opakovat řešení trojúhelníkových soustav (jednoduchý výpočet - výhoda oproti GEM)
- řešení maticových soustav $AX = B$
- nedourčené soustavy - soustavy se singulární maticí
- máme méně rovnic než neznámých (dovyrobíme si další řádky)
**Choleského rozklad**
- speciální případ LU-rozkladu pro **pozitivně definitní matice**
- matici $A$ rozložíme na součin dolní trojúhelníkové matice a její transpozice
- $A = L\cdot L^T$
- **symetrická a pozitivně definitní matice** má vždy Chol. rozklad
- díky symetrii snížíme počet aritmetických operací na polovinu
- rozklad je jednoznačný, pokud jsou diagonální prvky $L$ kladné
Stabilita LU-rozkladu
- **obecně stabilní**, pokud se provádí **s pivotací** (permutací řádků)
- bez pivotace může být nestabilní, pokud má matice $A$ velmi malé nebo velké prvky
- Chol. rozklad je numericky stabilní pro pozitivně definitní matice
### Srovnání metod
**GEM**
- efektivní pro řešení soustav, na PC pro tisíce rovnic
- při **změně pravé strany** se musí celý výpočet **opakovat**
**LU**
- efektivní pro **více pravých stran**
**Choleského**
- méně náročná pro **symetrické a pozitivně definitní matice**
### Přímé metody pro soustavy se speciální maticí
**Symetrická matice**
- používáme **symetrickou verzi GEM a LU-rozkladu**
- $A = LDL^T$ - $D$ je diagonální matice
- rozklad zachovává symetrii původní matice
- efektivnější, rychlejší a stabilnější než obecná LU-metoda
- **symetrická + pozitivně definitní**
- Choleského rozklad
**Pásová matice**
- řídká matice s **nenulovými prvky kolem diagonály**
- **zachovávají se pozice nul** (to v obecném případě neplatí)
- **pásová + symetrická + pozitivně definitní**
- Choleského rozklad
**3-diagonální matice**
- pásová matice, kde jsou nenulové prvky na 3 diagonálách
- metoda faktorizace
- $A \cdot Y = F$ ... soustava $n+1$ lineárních algebraických rovnic
- přímý chod + zpětný chod