Реферат по предмету "Математика"


Метод квадратных корней

Введение
Система линейныхалгебраических уравнений – математическая модель, которая описывает состояниеравновесия экономического объекта, которое называется установившимся режимомили статикой объекта. Экономическая статика изучает допустимые и рациональныесостояния экономического объекта.
Пусть дана система n линейных алгебраических уравнений с n неизвестными
(1.1)   />
или в матричной форме
Ax = b,
где
/>
— матрица коэффициентов,
/>/>

/>
— столбец свободныхчленов и столбец неизвестных соответственно.
Если матрица Анеособенная, т.е.
/>
то система (1.1) имеетединственное решение. В этом случае решение системы (1.1) с теоретической точкизрения не представляет труда. Значения неизвестных xi (i=1,2,…n)могут быть получены по известным формулам Крамера
/>
крамерквадратный корень матрица
где матрица Ai получается из матрицы А заменой ее i-го столбца столбцом свободныхчленов.
Но такой способ решениялинейной системы с n неизвестнымиприводит к вычислению n + 1определителей порядка n, чтопредставляет собой весьма трудоемкую операцию при сколько-нибудь большом числе n.
Применяемые в настоящеевремя методы решения линейных систем можно разбить на две группы: точные иприближенные.
Точными методаминазываются такие методы, которые в предположении, что вычисления ведутся точно(без округлений), приводят к точным значениям неизвестных xi. Так как на практике все вычисленияведутся с округлениями, то и значения неизвестных, полученные точным методом,неизбежно будут содержать погрешности. К точным методам относятся, например,метод Гаусса, метод квадратных корней.
Приближенными методаминазываются такие методы, которые даже в предположении, что вычисления ведутсябез округлений, позволяют получить решение системы (x1, x2, …, xn) лишь с заданной точностью. Точное решениесистемы в этих случаях может быть получено теоретически как результатбесконечного процесса. К приближенным методам относятся метод простой итерации,метод Зейделя и др. Каждый из этих методов не всегда является сходящимся вприменении к конкретному классу систем линейных уравнений.
Данная контрольная работаимеет следующую структуру: в начале рассматривается математическая постановказадачи для метода квадратных корней при решении систем линейных алгебраическихуравнений. Затем производится реализация данного метода с помощьювычислительных средств ЭВМ, а именно прикладной программой Matlab 6.5. На примере реализациинескольких тестовых задач проводится анализ точности данного метода, а именнокогда наиболее эффективно применять метод квадратных корней при решении системлинейных алгебраических уравнений. Анализ проводится на основе матрицы А (еемерности, разреженности, обусловленности. Результаты, полученные на основеметода квадратных корней, приведены в конце данной работы. Также в работепредставлен графический материал. По окончании проведения исследования работазавершается логическим заключением.

Математическаяпостановка задачи
 
Метод квадратных корнейиспользуется для решения линейной системы
Ax = b,
(1.2)  

у которой матрица Асимметрическая, т.е.
aij =aji (i, j = 1,2, …, n).
Метод является болееэкономным и удобным по сравнению с решением систем общего вида.
Решение системыосуществляется в два этапа.
Прямой ход. Представимматрицу А в виде произведения двух взаимно транспонированных треугольныхматриц:
(1.3)   А = Т¢ Т,
где
/>
/>.

Перемножая матрицы T¢ и T и приравнивая матрице A, получим следующие формулы для определения tij:
/>
(1.4)   После того, какматрица Т найдена, систему (1.2) заменяем двумя эквивалентными ей системами стреугольными матрицами/>
(1.5)  

T¢y = b, Tx = y.
Обратный ход. Записываемв развернутом виде системы (1.5):
/>
/>
Отсюда последовательнонаходим

/>
При вычисленияхприменяется обычный контроль с помощью сумм, причем при составлении суммыучитываются все коэффициенты соответствующей строки.
Заметим, что придействительных aijмогут получиться чисто мнимые tij. Метод применим и в этом случае.
Описаниепрограммного обеспечения (согласно стандартам на ИТ)
Для изучения данногометода было выбрано программное обеспечение: Matlab 6.5, в операционной системе Windows XP Professional. На этапе проектирования быласоздана программа Square(‘квадрат’). Входными переменными для данной программы является матрица A и соответствующая ей матрица B. Результатом выполнения даннойпрограммы является матрица X(выходная переменная), которая является решением системы линейныхалгебраических уравнений.
Ниже описан алгоритмреализации метода квадратных корней на языке программирования в среде Matlab 6.5:
A=input('Введите матрицуA=');
B=input('Введите B=');
if A==A'
if det(A)~=0
s=size(A,1);
if size(B',1)== s
T=zeros(s);
T(1,1)=sqrt(A(1,1));
for k=2:s
T(1,k)=A(1,k)/T(1,1)
end
for j=2:s
for i=2:s
if i==j
sm=0
for k=1:(i-1)
sm=sm+T(k,i)^2
end
T(i,i)=sqrt(A(i,i)-sm)
else
if i
sm=0
for k=1:(i-1)
sm=sm+T(k,i)*T(k,j)
end
T(i,j)=(A(i,j)-sm)/T(i,i)
end
end
end
end
Y=zeros(s,1)
Y(1)=B(1)/T(1,1)
for i=2:s
sm=0
for k=1:(i-1)
sm=sm+T(k,i)*Y(k)
end
sm
Y(i)=(B(i)-sm)/T(i,i)
end
X=zeros(s,1)
X(s)=Y(s)/T(s,s)
for m=1:(s-1)
i=s-m
sm=0
for k=(i+1):s
sm=sm+T(i,k)*X(k)
sm
end
X(i)=(Y(i)-sm)/T(i,i)
E=A*X-B'
end
else
error('B не соответствуетматрице А')
end
else
error('det А = 0')
end
else
B = B*A'
A = A*A'
if det(A)~=0
s=size(A,1);
if size(B',1)== s
T=zeros(s);
T(1,1)=sqrt(A(1,1));
for k=2:s
T(1,k)=A(1,k)/T(1,1)
end
for j=2:s
for i=2:s
if i==j
sm=0
for k=1:(i-1)
sm=sm+T(k,i)^2
end
T(i,i)=sqrt(A(i,i)-sm)
else
if i
sm=0
for k=1:(i-1)
sm=sm+T(k,i)*T(k,j)
end
T(i,j)=(A(i,j)-sm)/T(i,i)
end
end
end
end
Y=zeros(s,1)
Y(1)=B(1)/T(1,1)
for i=2:s
sm=0
for k=1:(i-1)
sm=sm+T(k,i)*Y(k)
end
sm
Y(i)=(B(i)-sm)/T(i,i)
end
X=zeros(s,1)
X(s)=Y(s)/T(s,s)
for m=1:(s-1)
i=s-m
sm=0
for k=(i+1):s
sm=sm+T(i,k)*X(k)
sm
end
X(i)=(Y(i)-sm)/T(i,i)
end
else
error('B не соответствуетматрице А')
end
else
error('det А = 0')
end
end
Описаниетестовых задач
 
Результатом разработкипрограммы является этап реализации и тестирования метода квадратных корней. Наэтапе выполнения программы может появляться неточность полученного решенияиз-за ошибки вычисления (например, ошибки округления ЭВМ). Исследуем влияниемерности матрицы A, ееобусловленности, разреженности на точность полученного решения. Результат будемоценивать по невязке ε = Ax* — b (x* — полученное решение). Для этогорассмотрим разного рода матрицы:
ü  влияние мерности матрицы А;
Рассмотрим матрицымерности 2´2, 3´3, 4´4 и 5´5. Зададим матрицу мерностью 2´2:
/>, ей соответственно зададим />, в результатевыполнения программы получим решение:
X = />
ε = />
Зададим матрицуразмерностью 3´3:
/>, ей соответственно зададим />, в результатевыполнения программы получим решение:
X = />
ε = />
Зададим матрицуразмерностью 4´4:
/>, ей соответственно зададим />, в результатевыполнения программы получим решение:

X = />
ε = />
Зададим матрицуразмерностью 5´5:
/>, ей соответственнозададим />,в результате выполнения программы получим решение:
X = />
ε = />
Сравним полученныерезультаты, для этого проанализируем точность полученного решения. Результат мыможем оценить двумя способами /> и />, где E – матрица, полученная в результате подстановки найденногорешения в систему линейных алгебраических уравнений: Е=A*x-b. Проиллюстрируем результатыграфически. Для этого была разработана программа в среде Matlab 6.5.
E2=input('Введите матрицу Е2=');
E3=input('Введите матрицу Е3=');
E4=input('Введите матрицу Е4=');
E5=input('Введите матрицу Е5=');
Q1=sqrt(sum(power(E2,2)));
Q2=sqrt(sum(power(E3,2)));
Q3=sqrt(sum(power(E4,2)));
Q4=sqrt(sum(power(E5,2)));
Q = [Q1 Q2 Q3Q4];
abs(E2);
abs(E3);
abs(E4);
abs(E5);
a1=max(abs(E2));
a2=max(abs(E3));
a3=max(abs(E4));
a4=max(abs(E5));
A = [a1 a2 a3a4];
E = [2 3 4 5];
plot (Q,E)
pause
plot (A,E)
/>

/>
/>
/>

На основе проведенногоанализа и иллюстрации графиков можно сделать вывод, что с увеличением мерностиматрицы увеличивается неточность решения.
ü  влияние обусловленности матрицы А;
Для исследования возьмемматрицу следующего вида, которую в последствии будем заполнять нулями,прослеживая результат изменения ошибки:
/>, ей соответственнозададим />
X =
-6.1000
-2.2000
-6.8000
-0.9000
0.2000
E =
-0.0389
-0.7994
0.2665
-0.0888
0.0888
/>, ей соответственнозададим />

X =
-0.7869
-1.3706
-2.1805
-0.0204
1.5371
E =
0.2665
/>, ей соответственнозададим />
X =
-0.4950
0.1575
5.0050
4.7700
-5.5025
E =
-0.7105
0.4441

/>, ей соответственнозададим />
X =
-4.1125
1.0263
-1.0750
1.2947
-1.2313
E =
-0.0444
0.0888
-0.0888
0.1776
/>, ей соответственнозададим />
X =
0.5000
1.0263
1.6667
1.2947
0.8250
E =
0.8882
-0.8882
Четкой тенденциипроследить невозможно, хотя видно на основе предложенной матрицы А, что сувеличение числа нулей, присутствующих в матрице, точность решенияувеличивается, т.к. уменьшается число элементов задействованных в вычислении,то и снижается ошибка вычислений.
ü  обусловленность матрицы А;
Зададим матрицу спрактически равными элементами. В последствии будем увеличивать ее размерность.
/>, ей соответствует />
X =
-1.6499
-1.6501
E =
-0.9313
/>, ей соответствует />
X =
-1.6522
0.7500
2.3978
E =
0.1863

/>, ей соответствует />
X =
0.0018
2.4041
2.3978
0.0033
E =
-0.0167
0.0371
-0.0371
-0.3558
Обусловленность матрицыснижает ошибку вычислений у матриц с более высокой размерностью, т.е. сувеличением размерности разряженной матрицы ее точность увеличивается (ошибкавычислений снижается).
Анализрезультатов
 
Подводя итоги можносделать следующий вывод. Точность решения зависит как от обусловленности,разреженности и мерности матрицы, так и в целом комбинация этих составляющихвлияет на точность полученного решения. Хотя в некоторых случаях однозначногоответа дать невозможно, так как точность зависит еще и от того, насколькогромоздки были вычисления, и как много требовалось округлений, а также все либыли учтены недочеты. А также если корни будут близки к целым корням, то иточность решения будет выше.

Заключение
 
В данной контрольнойработе был проанализирован один из методов решения систем линейныхалгебраических уравнений: метод квадратных корней. Метод был предложен длярешения системы Ax=b, где матрица A – симметрическая, хотя не исключено,что метод может использоваться и не для симметрических матриц, тогда исходнуюсистему можно привести к виду AA¢x=b A¢, полученную систему легко можно решить методом квадратныхкорней.
Также в данной системебыли проанализированы разного рода матрицы, и их влияние на точностьполученного решения. Основываясь на полученных выводах, можно контролировать вкаких конкретно моментах удобно решать систему линейных алгебраическихуравнений методом квадратных, а когда лучше использовать другой метод.

Литература
 
1.  Государственные стандарты. ИТ.комплекс стандартов и руководящих документов на АС. Издание официальное.Комплект стандартизации и метрологии СССР. М. – 1991.
2.  Копченова Н.В., Марон И.А. Вычислительнаяматематика в примерах и задачах. М.: «Наука», 1972.
3.  Писсанецки С. Технология разряженныхматриц. – М.: Мир, 1988.
4.  Сарычева О.М. Численные методы вэкономике: Конспект лекций. Новосибирск: НГТУ, 1995.
5.  Численные методы. Методические указания.НГТУ, 2002.


Не сдавайте скачаную работу преподавателю!
Данный реферат Вы можете использовать для подготовки курсовых проектов.

Поделись с друзьями, за репост + 100 мильонов к студенческой карме :

Пишем реферат самостоятельно:
! Как писать рефераты
Практические рекомендации по написанию студенческих рефератов.
! План реферата Краткий список разделов, отражающий структура и порядок работы над будующим рефератом.
! Введение реферата Вводная часть работы, в которой отражается цель и обозначается список задач.
! Заключение реферата В заключении подводятся итоги, описывается была ли достигнута поставленная цель, каковы результаты.
! Оформление рефератов Методические рекомендации по грамотному оформлению работы по ГОСТ.

Читайте также:
Виды рефератов Какими бывают рефераты по своему назначению и структуре.

Сейчас смотрят :

Реферат Competition Among The Telecommunications Industry Essay Research
Реферат Разработка функциональной цифровой ячейки от функциональной логической схемы проектируемого узла
Реферат Разработка мероприятий по совершенствованию политики управления товарооборотом торгового предпри
Реферат Рынок ценных бумаг и его формирование в РК
Реферат Массовая полиэтническая миграция как источник роста межнациональной напряженности
Реферат Роль государственно-частного партнерства в повышении эффективности экономической политики региона
Реферат Культурологічний підхід як основа модернізації змісту астрономічної освіти у загальноосвітніх навчальних
Реферат НАТО И ГЕОПОЛИТИКА УКРАИНЫ
Реферат Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования
Реферат Моделирование процесса обработки сигнала с широтно-импульсной модуляцией и помехи в приемном
Реферат Финансовый анализ как инструмент сравнительного анализа положения фирм в отрасли: обобщенные финансовые таблицы
Реферат Решение задач методом северо западного угла рапределительного минимального и максимального элемента
Реферат Построение моделей виртуальной реальности по цифровых моделям открытых горных работ
Реферат Хроматографические методы анализа и их использование в анализе объектов окружающей природной среды
Реферат Изучение влияния межпредметных связей на развитие письменной речи младшего школьника в процессе обучения русскому языку в 3 классе