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Numerical methods

Reminders on matrices

A ∈ Rn×n: A is symmetric if A = AT. A matrix A is positive definite if xTAx > 0 ∀ x ∈ Rn with x ≠ ∅. A is non-singular if ATA is symmetric and positive definite.

Natural norm

|||A||| = supy≠∅ ||Ay|| / ||y||. Verify → ||Ay|| ≤ ||A|| ||y||, ||A + B|| ≤ ||A|| + ||B||.

Solving linear systems

The problem: given b ∈ Cn, A ∈ Cn×n, R ∈ R, we look for X ∈ Cn solution of AX = b. Solution is X = A-1b. There is a unique solution if and only if A is non-singular (or invertible). A necessary and sufficient condition is that det(A) ≠ 0.

Simplest systems are diagonal systems

Dχ = b with D =
d11 0
0 d22

xi = bi / djj, i=1,2,...,n
n operations

Lower triangular matrices

L =
l11 0
l21 l22
ln1 ln2 lnn

System can be solved "forward":
x1 = b1 / l11
x2 = (b2 - l21x1) / l22
xn = (bn - ∑ lnjxj) / lnn

n2 operations

A special lower triangular matrix

(L has only 1 on the diagonal) → L =
1 0
l21 1
ln1 ln2 1

Two equivalent algorithms:
for i = 2, ..., n
  for j = i - 1, ..., 1
    bi = bi - Ii,jbj;
  end
end

for k = 1, ..., n - 1
  for i = k + 1, ..., n
    bi = bi - Ii,kbk;
  end
end

Upper triangular matrices

U =
u11 u12 u1n
0 u22 u2n
0 0 u33

xn = bn / unn
xn-1 = (bn-1 - un-1,n xn) / un-1,n-1
x1 = (b1 - ∑ u1,jxj) / u11, j=2

n2 operations

Execution time

t = # operations / # flops

Numerical methods

Reminders on matrices

A ∈ Rn×n: A is symmetric if A = AT. Eigenvalues of a symmetric matrix are real. A matrix A is positive definite if xTAx > 0 ∀ x ∈ Rn with x ≠ xTAx = 0 if x = A is non-singular = ATA is symmetric and positive definite.

Natural norm

‖A‖ = sup ‖A‖ / ‖‖ ≠ Verify → ‖A‖ ≤ ‖A‖ ‖‖‖A + B‖ ≤ ‖A‖ + ‖B‖

Solving linear systems

The problem → given b ∈ Rn, A: Rn x Rn we look for X ∈ Rn solution of AX = b. Solution: x = A-1b.

Simplest systems are diagonal systems

Dx = b with D =
d11 0
0 d22

n operations
xi = bi / dii i = 1,2,...,n

Lower triangular matrices

L =
I11 0
I21 I22
In1 In2 Inn

System can be solved "forward":
x1 = b1 / I11
x2 = b2 - I21x1
xn = bn - Σj=1n-1 Injxj / Inn

n2 operations

A special lower triangular matrix

(L has only 1 on the diagonal) → L =
1 0
In1 1
In1 In2 1

x1 = b1
x2 = b2 - I21x1
xn = bn - Σj=1n-1 Injxj

Two equivalent algorithms:
for i = 2,...,n
for j = 1,..,i-1
bi = bi - Ii,jbj
end
end

for k = 1,...,n - 1
for i = k+1,...,n
bi = bi - Ii,kbk
end
end

Upper triangular matrices

U =
U11 U12 U1n
0 U22 U2n
0 0 U33

xn = bn / Unn
xn-1 = (bn-1 - Un-1,n xn) / Un-1,n-1
x1 = (b1 - Σj=2n U1,jxj) / U11

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Scienze matematiche e informatiche MAT/08 Analisi numerica

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher M1000 di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Numerical methods in engineering sciences e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Università degli Studi di Pavia o del prof Sangalli Giancarlo.
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