Techniki Obliczeniowe i Symulacyjne

2 Układy równań liniowych, macierz odwrotna, aproksymacja 2011.02.28

prof. dr hab. inż. Tomasz Zieliński

Ćwiczenie 1 (0.5 – max 2 pkt)

Wyznacz analitycznie rozwiązanie układu równań (na papierze):

[3 4 1

2 3 0][ x 1 x]=[ 10 ] , Ax= b

2

3 2 1 x

−2

3

(1)

jedną z metod: Cramera (0.5 pkt), eliminacji Gaussa-Jordana (1 pkt), eliminacji Gaussa (1 pkt), dekompozycji LU (2 pkt) oraz napisz program w Matlabie, który rozwiązuje tą metodą dowolne równanie z N niewiadomymi, a nie z trzema. Zamień miejscami kolumny 2 i 3 oraz rozwiąż zmodyfikowane równanie za pomocą twojego programu. Jeśli wystąpił problem, to jak go można rozwiązać?

Ćwiczenie 2 (1 pkt)

Napisz program w Matlabie rozwiązujący równanie (1) jedną z metod iteracyjnych: Jacobiego lub Gaussa-Seidela. Sprawdź czy metoda zbiega się do poprawnego rozwiązania (narysuj jak się zmieniało rozwiązanie w kolejnych iteracjach). Czy procedura iteracyjna jest zawsze zbieżna?

Ćwiczenie 3 (1 pkt)

Wyznacz rozwiązanie równania (1)

-1

x = A b za pomocą funkcji Matlaba:

xm1 = inv(A)*b; xm2 = A\b (2) Porównaj otrzymane wyniki xm1 i xm2 ze sobą oraz z rozwiązaniami otrzymanymi w ćw. 1 i 2.

Potem wygeneruj macierz A i werktor b za pomocą funkcji randn(): N=100; A = randn(N,N); r=randn(N,1)

oraz porównaj ze sobą rozwiązania xm1 i xm2 (2), i czas trwania obliczeń w obu przypadkach (stosując funkcje tic i toc.)

Na koniec zastosuj programy z ćw. 1 i 2 oraz program (2) do źle uwarunkowanego układu równań

[ eps eps −1

eps − eps eps][ x 1 x]=[−10] , Ax= b 2

(3)

−1

eps

eps x

1

3

Ćwiczenie 4 (1 pkt)

Oblicz macierz autokorelacji R (symetryczna względem głównej przekątnej!!!) dla tego samego sygnału i w taki sam sposób jak w programie T19_4.m, umieszczonym na stronie:

http://www.kt.agh.edu.pl/pl/edu/wydaw/cps,k.html

Mamy rozwiązać równanie macierzowe Ra = -r gdzie a wektorem współczynników cyfrowego filtra rekursywnego, wykorzystywanego w algorytmach kompresji mowy do modelowania charakterystyki częstotliwościowej traktu głosowego (formanty). Wyznacz a tak jak w programie T19_4: 1

−

a = -R r

oraz szybką metodą Durbina-Levinsona (Tabela 20-1, str. 581), wykorzystywaną w telefonach komórkowych, w której unika się odwracania macierzy o wymiarach 10× 10.

Dla dociekliwych

Czy zawsze trzeba wyznaczać macierz odwrotną? Prosta i odwrotna transformacja Fouriera, analiza i synteza sygnału, są opisane parą następujących równań ( n – indeks czasu, k – indeks częstotliwości, k ↔ fk= kf 0= k( f pr/ N)):

,

-1

X = Fx

x = F X,

F( k, n) = exp ( − j 2π kn / N ) / N , k, n = 0,1,2,3,..., N −1 (4) Ponieważ macierz F jest ortonormalna (jej wiersze są ortonormalne), to macierz do niej odwrotna jest macierzą sprzężoną, transponowaną:

1

F

( *F) T

− =

czyli nie trzeba jej czasochłonnie obliczać. Wektor X reprezentuje sobą współczynniki rozwinięcia (aproksymacji, przybliżenia) sygnału x względem sygnałów bazowych (wzorcowych), których sprzężenia zespolone są umieszczone w wierszach macierzy F. Patrz wykład z CPS.

Document Outline

  • 2
  • Ćwiczenie 1 (0.5 – max 2 pkt)
  • Ćwiczenie 2 (1 pkt)
  • Ćwiczenie 3 (1 pkt)
  • Ćwiczenie 4 (1 pkt)
  • Dla dociekliwych