Aula 8 Variações da Eliminação de Gauss/Fatoração LU.

Documentos relacionados
Resolução de Sistemas Lineares. Ana Paula

Resolução de sistemas de equações lineares: Método de eliminação de Gauss

decomposição de Cholesky.

Parte 0: Normas de Vetor e Matriz

Resolução de sistemas de equações lineares: Fatorações de matrizes

Resolução de sistemas de equações lineares: Fatorações de matrizes

CÁLCULO NUMÉRICO. Profa. Dra. Yara de Souza Tadano

Resolução de Sistemas Lineares. Ana Paula

Matrizes e Sistemas Lineares. Professor: Juliano de Bem Francisco. Departamento de Matemática Universidade Federal de Santa Catarina.

Semana 7 Resolução de Sistemas Lineares

ALGA - Eng.Civil - ISE / Matrizes 1. Matrizes

Resolução de sistemas de equações lineares: Fatorações de matrizes

Definição de determinantes de primeira e segunda ordens. Seja A uma matriz quadrada. Representa-se o determinante de A por det(a) ou A.

Matrizes. matriz de 2 linhas e 2 colunas. matriz de 3 linhas e 3 colunas. matriz de 3 linhas e 1 coluna. matriz de 1 linha e 4 colunas.

Determinantes. ALGA 2008/2009 Mest. Int. Eng. Electrotécnica Determinantes 1 / 17

Álgebra Linear Computacional

Inversão de Matrizes

Solução de Sistemas Lineares

Determinantes. Vamos associar a cada matriz quadrada A um número a que chamaremos determinante. a11 a Uma matriz de ordem 2, A =

Modelagem Computacional. Parte 6 2

ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA DE VISEU

CURSO DE MATEMÁTICA BÁSICA PROGRAMA DE EDUCAÇÃO TUTORIAL CENTRO DE ENGENHARIA DA MOBILIDADE

. (A verificação é imediata.)

Sistemas Lineares - Eliminação de Gauss

FUNDAMENTOS DA MATEMÁTICA

Laboratório de Simulação Matemática. Parte 6 2

Determinantes. Matemática Prof. Mauricio José

Solução de Sistemas Lineares: Métodos Diretos

Sistemas Lineares Métodos Diretos

Matrizes. Sumário. 1 pré-requisitos. 2 Tipos de matrizes. Sadao Massago a pré-requisitos 1. 2 Tipos de matrizes.

Arte e Matemática. Série Matemática na Escola

SISTEMAS LINEARES PROF. EDÉZIO

Álgebra Linear AL. Luiza Amalia Pinto Cantão. Depto. de Engenharia Ambiental Universidade Estadual Paulista UNESP

Álgebra Linear AL. Luiza Amalia Pinto Cantão. Depto. de Engenharia Ambiental Universidade Estadual Paulista UNESP

Referências.

Introdução ao determinante

Resolução de sistemas de equações lineares: Método de eliminação de Gauss - estratégias de pivotamento

Márcio Antônio de Andrade Bortoloti

Prof a Dr a Ana Paula Marins Chiaradia MATRIZ INVERSA. Menores: O menor de um elemento a ij de uma matriz A de ordem n é definido como sendo o

Disciplina: Cálculo Numérico IPRJ/UERJ. Sílvia Mara da Costa Campos Victer. Aula 6 - Solução de Sistema de Equações Algébricas

Capítulo 2 - Determinantes

a) 2 b) 3 c) 4 d) 5 e) 6

Lista de Exercícios - Radiciação

Capítulo 2 - Sistemas de Equações Lineares

Agenda do Dia Aula 14 (19/10/15) Sistemas Lineares: Introdução Classificação

Sistemas Lineares. Métodos Iterativos Estacionários

Resolução de sistemas de equações lineares: Método de eliminação de Gauss - estratégias de pivotamento

Departamento de Matemática da Universidade de Coimbra Álgebra Linear e Geometria Analítica Engenharia Civil Ano lectivo 2005/2006 Folha 1.

Resolução Numérica de Equações Parte I

3 Determinantes. 2 Definição Número de trocas de ordem de um termo de uma matriz. 3 Definição Determinante de uma Matriz ( ( ))

Introdução aos Sistemas Lineares

Figura : Monitoria. Monitoria Cálculo Numérico

Matemática para a Economia I - 1 a lista de exercícios Prof. - Juliana Coelho

Sistemas de Equações Lineares Algébricas

Métodos Numéricos. Turma CI-202-X. Josiney de Souza.

prof. sergio roberto de freitas

Apostila de Matemática 16 Polinômios

(1, 6) é também uma solução da equação, pois = 15, isto é, 15 = 15. ( 23,

Fórmulas do Traço e o Cálculo de Matrizes Inversas

Resolução de Sistemas Lineares. Método de Gauss. O algoritimo conhecido como Método de Gauss é desenvolvido a partir de dois ingredientes básicos:

Onde está o peso extra? Série Problemas e Soluções. Objetivos 1. Estudar uma estratégia que valoriza ao máximo as informações disponíveis.

CÁLCULO NUMÉRICO. Profa. Dra. Yara de Souza Tadano

Métodos Numéricos - Notas de Aula

Método Simplex Revisado

INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Licenciatura em Engenharia Física Tecnológica Licenciatura em Engenharia e Gestão Industrial Ano Lectivo: 2002/

Onde: A é a matriz do sistema linear, X, a matriz das incógnitas e B a matriz dos termos independentes da equação

EXERCÍCIOS PREPARATÓRIOS PARA AS DISCIPLINAS INTRODUTÓRIAS DA MATEMÁTICA

2) Escreva um algoritmo que leia um conjunto de 10 notas, armazene-as em uma variável composta chamada NOTA e calcule e imprima a sua média.

Álgebra Linear I - Aula 20

Unidade III- Determinantes

Nota importante: U é a matriz condensada obtida no processo de condensação da matriz

Bases Matemáticas. Daniel Miranda de maio de sala Bloco B página: daniel.miranda

Estudaremos métodos numéricos para resolução de sistemas lineares com n equações e n incógnitas. Estes podem ser:

Polos Olímpicos de Treinamento. Aula 1. Curso de Teoria dos Números - Nível 3. Divisibilidade 1. Carlos Gustavo Moreira e Samuel Barbosa Feitosa

Ficha de Exercícios nº 2

ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA DE VISEU. Apontamentos Teóricos: Matrizes e Sistemas de Equações Lineares

DCC008 - Cálculo Numérico

Resolução de Sistemas de Equações Lineares

Lista de Exercícios 2a

Álgebra Linear AL. Luiza Amalia Pinto Cantão. Depto. de Engenharia Ambiental Universidade Estadual Paulista UNESP

Fatoração LU André Luís M. Martinez UTFPR

Capítulo Bissetrizes de duas retas concorrentes. Proposição 1

UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA Centro de Ciências Exatas Departamento de Matemática

MAP Métodos Numéricos e Aplicações Escola Politécnica 1 Semestre de 2017 EPREC - Entrega em 27 de julho de 2017

Para satisfazer mais necessidades, criou-se a necessidade de números racionais, que são aqueles que podem ser escritos na forma m n

Universidade Federal de Santa Maria Centro de Ciências Naturais e Exatas Departamento de Física Laboratório de Teoria da Matéria Condensada

a 21 a a 2n... a n1 a n2... a nn

MATEMÁTICA II. Aula 12. 3º Bimestre. Determinantes Professor Luciano Nóbrega

Disciplina: Álgebra Linear - Engenharias ], C = Basta adicionar elemento a elemento de A e B que ocupam a mesma posição na matriz.

Cálculo Numérico / Métodos Numéricos. Solução de sistemas não lineares Método de Newton

Projecto Delfos: Escola de Matemática Para Jovens 1 TEORIA DOS NÚMEROS

Notas de aula de Lógica para Ciência da Computação. Aula 11, 2012/2

Universidade Federal do Espírito Santo - UFES

Gabarito de Matemática do 6º ano do E.F.

3 Modelos de Simulação

INDUÇÃO MATEMÁTICA. Primeiro Princípio de Indução Matemática

Método Simplex das Duas Fases

UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO

Exercícios de Álgebra Linear

Transcrição:

Aula 8 Variações da Eliminação de Gauss/Fatoração LU. MS211 - Cálculo Numérico Marcos Eduardo Valle Departamento de Matemática Aplicada Instituto de Matemática, Estatística e Computação Científica Universidade Estadual de Campinas

O método da eliminação de Gauss/Fatoração LU podem ser adaptados para certos tipos de matrizes que surgem em muitas situações práticas. Nesse casos, informações adicionais sobre a estrutura da matriz são consideradas de forma a reduzir o esforço computacional do método numérico. Na aula de hoje, veremos duas variações da eliminação de Gauss/fatoração LU.

Matriz Diagonalmente Estritamente Dominante Para algumas matrizes, o método da eliminação de Gauss pode ser aplicado sem a estratégia de pivoteamento parcial. Definição 1 Dizemos que A R n n é uma matriz diagonalmente dominante se a ii > j i a ij, i = 1,..., n.

Exemplo 2 Determine quais matrizes são diagonalmente estritamente dominante: [ 2 ] [ ] [ ] 1 0 7 2 0 6 4 3 A = 1 2 1, B = 3 5 1 e C = 4 2 0. 0 1 2 0 5 6 3 0 1

Exemplo 2 Determine quais matrizes são diagonalmente estritamente dominante: [ 2 ] [ ] [ ] 1 0 7 2 0 6 4 3 A = 1 2 1, B = 3 5 1 e C = 4 2 0. 0 1 2 0 5 6 3 0 1 Resposta: A única matriz diagonalmente dominante é a matriz B.

Teorema 3 Se A R n n é uma matriz diagonalmente dominante, então A é não-singular. Sobretudo, o sistema linear Ax = b pode ser resolvido usando o método da eliminação de Gauss sem pivoteamento. A demonstração desse teorema pode ser encontrada em: Análise Numérica, R. L. Burden e J. D. Faires. Editora Pioneira, 2003.

Matriz Simétrica Definição 4 (Matriz Simétrica) Uma matriz A R n é simétrica se A T = A, ou seja, a ij = a ji, i, j = 1,..., n. Exemplo 5 Determine quais matrizes são simétricas: [ 2 ] [ ] 1 0 7 2 0 A = 1 2 1, B = 3 5 1 e C = 0 1 2 0 5 6 [ 6 ] 4 3 4 2 0. 3 0 1

Matriz Simétrica Definição 4 (Matriz Simétrica) Uma matriz A R n é simétrica se A T = A, ou seja, a ij = a ji, i, j = 1,..., n. Exemplo 5 Determine quais matrizes são simétricas: [ 2 ] [ ] 1 0 7 2 0 A = 1 2 1, B = 3 5 1 e C = 0 1 2 0 5 6 [ 6 ] 4 3 4 2 0. 3 0 1 Resposta: As matrizes A e C são simétricas.

Matriz Definida Positiva Definição 6 (Matriz Definida Positiva) Uma matriz A R n n é definida positiva se x T Ax > 0 para todo x R n, x 0. Teorema 7 (Decomposição de Cholesky) Se A R n n é uma matriz simétrica e definida positiva, então A pode ser decomposta de forma única no produto GG T, em que G é uma matriz triangular inferior com diagonal positiva. Pode-se demonstrar o teorema acima usando a fatoração LU. A demonstração pode ser encontrada em: Cálculo Numérico Aspectos Teóricos e Computacionais, M. Ruggiero e V. Lopes, 2a edição, Editora Pearson, 1997.

Cálculo do Fator de Cholesky Seja A R n n uma matriz simétrica e definida positiva. Vamos escrever A = GG T, ou seja, a 11 a 21... a n1 g 11 g 11 g 21... g n1 a 21 a 22... a n2...... = g 21 g 22 g 22... g n2......... a n1 a n2... a nn g n1 g n2... g nn g nn Efetuando o produto por colunas, encontramos: Primeira coluna: Logo, a 11 a 21 g 11 g 11 g 2 11. = g 21 g 22 0...... = g 21 g 11. a n1 g n1 g n2... g nn 0 g n1 g 11 g 11 = a 11 e g j1 = a j1 g 11, j = 2,..., n.

Segunda coluna: a 21 g 11 g 21 g 11 g 21 a 22 g 21 g 22 g 22 g21 2 a 32 = g 31 g 32 g 33 0 + g2 22 = g 31 g 21 + g 32 g 22........ a n2 g n1 g n2 g n3... g nn 0 g n1 g 21 + g n2 g 22 Logo, g 22 = a 22 g 2 21 e g j2 = a j2 g j1 g 21 g 22, j = 3,..., n.

Coluna k: a k1. a kk a k+1,k. a k2 g 11 g k1..... = g k1... g kk g kk g k+1,1... g k+1,k g k+1,k+1 0....... g n1... g nk g n,k+1... g nn 0 Logo, teremos a kk = gk1 2 +... + k 1 g2 kk = g kk = akk gki 2, e Portanto, i=1 a jk = g j1 g k1 +... + g jk g kk, j = k + 1,..., n. g jk = 1 g kk ( ) k 1 a jk g ji g ki, j = k + 1,..., n. i=1

Fatoração de Cholesky Entrada: Matriz A R n n simétrica e definida positiva. para k = 1 : n faça k 1 g kk = akk gkj 2. j=1 para i = k + 1 : n faça g ik = 1 k 1 a ik g ij g kj. g kk fim fim Saída: Matriz G triangular inferior com diagonal positiva. j=1

Exemplo 8 Determine, se possível, a fatoração de Cholesky das matrizes 2 1 0 6 4 3 A = 1 2 1 e C = 4 2 0. 0 1 2 3 0 1

Exemplo 8 Determine, se possível, a fatoração de Cholesky das matrizes 2 1 0 6 4 3 A = 1 2 1 e C = 4 2 0. 0 1 2 3 0 1 Resposta: Temos que A = GG T em que 2 G = 1 3 2 2 0 2 3 2 3. Ao tentar fatorar a matriz C, encontra-se a raiz quadrada de um número negativo. Logo, embora simétrica, C não é definida positiva.

A fatoração de Cholesky pode ser usada para verificar se uma matriz é simétrica e definida positiva; se o método falhar, a hipótese é falsa! A fatoração de Cholesky requer a metade do número de operações efetuadas na fatoração LU! Conhecendo a fatoração de Cholesky, o sistema Ax = b é resolvido em dois estágios: 1. Gy = b. 2. G T x = y.

Matriz Banda Definição 9 (Matriz Banda) Dizemos que A R n n é uma matriz banda se existem inteiros p e q, com 1 < p, q < n, tais que a ij = 0, se i > j + p ou j > i + q. O valor p + q + 1 é chamado tamanho da banda. Além disso, p é chamado tamanho da banda inferior e q é o tamanho da banda superior. Em muitas situações, encontramos matrizes banda que são também diagonalmente dominante ou simétrica e definida positiva.

Exemplo 10 Determine quais matrizes são banda e, no caso afirmativo, o tamanho da banda: [ 2 ] [ ] [ ] 1 0 7 2 0 6 4 3 A = 1 2 1, B = 3 5 1 e C = 4 2 0. 0 1 2 0 5 6 3 0 1

Exemplo 10 Determine quais matrizes são banda e, no caso afirmativo, o tamanho da banda: [ 2 ] [ ] [ ] 1 0 7 2 0 6 4 3 A = 1 2 1, B = 3 5 1 e C = 4 2 0. 0 1 2 0 5 6 3 0 1 Resposta: As matrizes A e B são matrizes banda com tamanho da banda p = q = 1.

Definição 11 (Matriz Tridiagonal) Uma matriz banda A R n n com p = q = 1 é chamada matriz tridiagonal. De um modo geral, uma matriz A R n n tridiagonal é da forma: a 11 a 12 a 21 a 22 a 23 a 32 a 33 a 34 A =......... a n 1,n 2 a n 1,n 1 a n 1,n a n,n 1 a n,n Logo, o método da eliminação de Gauss deve modificado de modo a introduzir zeros apenas no lugar dos elementos a 21, a 32,..., a n 1,n. Ideia similar é válida para matrizes banda, de um modo geral!