diff --git a/KMA NM/Poznámky.md b/KMA NM/Poznámky.md new file mode 100644 index 0000000..2fcf07e --- /dev/null +++ b/KMA NM/Poznámky.md @@ -0,0 +1,143 @@ +## Nelineární rovnice + +Předpokládáme, že +1. reálná funkce $f$ je spojitá pro $x \in \langle a, b\rangle$, +2. $f(a) \cdot f(b) < 0$. + +Potom existuje aspoň jedno řešení $x$ rovnice $f(x) = 0$ na $\langle a,b\rangle$. + +### Metoda půlení intervalu + +Máme interval $\langle a,b\rangle$, který budeme půlit. Vypočítáme funkční hodnotu $f(s_{i})$ v polovině intervalu. + +Pokud má funkční hodnota $f(s_{i})$ **stejné znaménko** jako funkční hodnota $f(a)$, změníme $a = s_{i}$, v opačném případě $b = s_{i}$. + +- zastavovací podmínka - velikost intervalu +- výsledek je $x = \frac{a+b}{2}$ +- vždy konverguje, ale velmi pomalu + +### Metoda prosté iterace + +Postup +1. z rovnice vyjádříme některé $x$ + - $x^5 - x = \ln(x+4)$ do formátu $x_{k+1} = \sqrt[5]{ \ln(x_{k}+4) + x_{k} }$ +2. určíme/dostaneme zadaný $\epsilon$ a $x_{0}$ + - $\epsilon = 0.01$ + - $x_{0} = 1$ +3. dosazujeme hodnoty do rovnice, dokud nenastane zastavující podmínka + - $\vert x_{k} - x_{k-1} \vert < \epsilon$ + +| $k$ | $x_k$ | $\vert x_{k} - x_{k-1}\vert$ | +| --- | ----------- | ---------------------------- | +| 0 | 1 | - | +| 1 | 1,211460877 | 0,211460877 | +| 2 | 1,234081012 | 0,022620135 | +| 3 | 1,236396294 | 0,002315282 | + +Postačující podmínky konvergence. Funkce $\varphi$ na intervalu $I = \langle a,b\rangle$ je spojitá a platí: +- $\forall x \in I : \varphi(x) \in I$ (funkce $\varphi$ zobrazuje $I$ do sebe) +- $\exists q \in \langle 0, 1) : \vert \varphi(x) - \varphi(y)\vert \leq q\vert x-y\vert \quad \forall x, y \in I$ (funkce $\varphi$ je kontrakce) + +### Newtonova metoda + +- $x_{0} = 1.236396294$ + - z metody prosté iterace nebo zadáno +- $f(x) = x^5 - x - \ln(x+4)$ + - vše převedeme na jednu stranu rovnice +- $f'(x) = 5x^4 - 1 - \frac{1}{x+4}$ + - derivací funkce $f(x) = x^5 - x - \ln(x+4)$ + +Hodnotu poté $x_{0}$ zpřesňujeme vzorcem $x_{k+1} = x_{k} - \frac{f(x_{k})}{f'(x_{k})}$ +- zastavovací podmínka $\vert x_{k+1} − x_k\vert < \epsilon$ nebo $\vert f(x_k)\vert < \delta$ + +**Geometrický význam** +- také metoda tečen nebo metoda linearizace +- tvoříme tečny funkce v bodech $x_{k}$ +- hodnota $x_{k+1}$ je průsečíkem tečny s osou $x$ + +Modifikovaná Newtonova metoda +- pokud se derivace moc nemění, můžeme místo $f'(x_{k})$ využívat $f'(x_{0})$ +- tečnou je pouze první přímka, ty následující jsou na ni kolmé + +Metoda sečen +- je i pro nediferencovatelné funkce +- $f'(x_{k})$ nahradíme za $\frac{f(x_{k}) - f(x_{k-1})}{x_{k}-x_{k-1}}$ +- potřebujeme znát dvě počáteční hodnoty +- další iterace $x_{k+1}$ je průsečíkem sečny s osou $x$ + +## Soustava lineárních rovnic + +### Jacobiova metoda + +$$ +A = \begin{bmatrix} +3 & 1 & 0 \\ +1 & 4 & 0 \\ +0 & 1 & 5 +\end{bmatrix} \qquad b = \begin{bmatrix} +1 \\ +2 \\ +3 +\end{bmatrix} \qquad x_{0} = \begin{bmatrix} +0 \\ +0 \\ +0 +\end{bmatrix} +$$ + +1. kontrola diagonální dominance + - $\vert 3\vert > \vert 1\vert + \vert 0\vert$ + - $\vert 4\vert > \vert 1\vert + \vert 0\vert$ + - $\vert 5\vert > \vert 0\vert + \vert 1\vert$ +2. sestavení rovnic a vyjádření $x, y, z$ + - $3x + y = 1$ + - $\to x = \frac{1}{3}(1 - y)$ + - $x + 4y = 2$ + - $\to y = \frac{1}{4}(2 - x)$ + - $y + 5z = 3$ + - $\to z = \frac{1}{5}(3 - y)$ + +| k | 0. | 1. | 2. | 3. | 4. | +| --- | --- | ------------- | ------------- | ------------- | ------------- | +| x | $0$ | $0.333333333$ | $0.166666667$ | $0.194444444$ | $0.180555556$ | +| y | $0$ | $0.5$ | $0.416666667$ | $0.458333333$ | $0.451388889$ | +| z | $0$ | $0.6$ | $0.5$ | $0.516666667$ | $0.508333333$ | + +### Gauss-Seidelova metoda + +Stejná, jako Jacobiova metoda, ale rovnou používáme s vypočítanými hodnotami. +- provedeme výpočet pro $x = \dots$, takže už ve výpočtu $y$ použijeme nové $x$ + +Sestavení rovnice +- $x^{(k+1)} = \frac{1}{3}(1 - y^{(k)})$ +- $y^{(k+1)} = \frac{1}{4}(2 - x^{(k+1)})$ +- $z^{(k+1)} = \frac{1}{5}(3 - y^{(k+1)})$ + +| k | 0. | 1. | 2. | 3. | +| --- | --- | ------------- | ------------- | ------------- | +| x | $0$ | $0.333333333$ | $0.194444444$ | $0.18287037$ | +| y | $0$ | $0.416666667$ | $0.451388889$ | $0.454282407$ | +| z | $0$ | $0.516666667$ | $0.509722222$ | $0.509143519$ | + +### Metoda SOR + +Tato metoda vychází z GS metody, akorát navíc přidává relaxační koeficient $\omega \in (0,2)$. +- $\omega = 1$ - jedná se o GS metodu +- $\omega \in (0,1)$ - jedná se o metodu SUR +- $\omega \in (1,2)$ - jedná se o metodu SOR + +Postup +1. kontrola diagonální dominance +2. sestavení rovnic GS metody +3. přidání relaxačního koeficientu + - $x^{(k+1)} = \omega \cdot [\frac{1}{3}(1 - y^{(k)})] + (1 - \omega)x^{(k)}$ + - $y^{(k+1)} = \omega \cdot [\frac{1}{4}(2 - x^{(k+1)})] + (1 - \omega)y^{(k)}$ + - $z^{(k+1)} = \omega \cdot [\frac{1}{5}(3 - y^{(k+1)})] + (1 - \omega)z^{(k)}$ + +Zvolíme $\omega = 1.05, \epsilon = 0.01$. + +| k | 0. | 1. | 2. | +| --- | --- | ------------ | ------------- | +| x | $0$ | $0.35$ | $0.18090625$ | +| y | $0$ | $0.433125$ | $0.455855859$ | +| z | $0$ | $0.53904375$ | $0.507318082$ |