Métodos iterativos para sistemas lineales Programación numérica.
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CATEDRA 08
METODOS NUMERICOS
Ingeniería Civil
ING.�CRISTIAN�CASTRO�P.
Facultad de Ingeniería de Minas, Geología y Civil
Departamento académico de ingeniería de minas y civil
1
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Capitulo VI
Sistema de Ecuaciones Algebraicas Lineales –Métodos Iterativos
ING.�CRISTIAN�CASTRO�P.2
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3
IntroducciónIntroducción
MÉTODO ESTABILIDAD PRECISIÓNRANGO DE
APLICACIÓNCOMPLEJIDAD DE
LA PROGRAMACIÓN COMENTARIOS
GRÁFICO --- Pobre Limitado ---
Puede tomar más tiempo que el método
numérico
Regla de Cramer ---Afectado por errores
de redondeo Limitado ---
Escesiva complejidad de cálculo para más de tres ecuaciones
Eliminación de Gauss (con pivoteo paracial) ---
Afectado por errores de redondeo General Moderada
Descomposición LU ---Afectado por errores
de redondeo General Moderada
Método de eliminación preferido; permite el cálculo de la matriz
inversa
Gauss_Seidel
Puede no converger si no es diagonalmente
dominante EXCELENTE
Apropiado solo para sistemas
diagonalmente dominantes FÁCIL
TABLA No. 1: Comparación de las características de diversos métodos alternativos para encontrar soluciones de ecuaciones algebraicas lineales simultáneas
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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4
Comparación de Métodos Directos e Iterativos a partir de la cantidad de operaciones matemáticas
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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5
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
•Debemos resaltar que lo métodos vistos hasta laactualidad para solucionar sistemas de ecuacionesalgebraicas lineales son muy caroscomputacionalmente.
•Estos métodos exigen una memoria de máquinaproporcional al cuadrado del orden de la matriz decoeficiente A.
•De igual manera se producen grandes errores deredondeo como consecuencia del número deoperaciones.
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6
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
•Debemos mencionar que en estos métodos necesitantener una aproximación inicial de la solución y noesperamos tener una solución exacta aun cuandotodas las operaciones se realicen utilizando unaaritmética exacta.
Pero podemos decir que en muchos casos son masefectivos que los métodos directos por requerir muchomenos esfuerzo computacional y sus errores sereducen, esto es cierta cuando la matriz es dispersaes decir cuando la matriz tienen un alto porcentaje deelementos nulos
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7
AplicacionesAplicaciones• Rara vez para resolver sistemas lineales de dimensión
pequeña.
– Tiempo requerido mayor para lograr la precisión
– Los métodos directos son suficientemente exactos.
Utilidad para la resolución de los sistemas de ecuacionesdiferenciales en aplicaciones de:
– Todas las ramas de ingeniería
– Ciencias sociales
– Economía
• Estos métodos son útiles en la predicción del clima,análisis matricial de estructuras, donde el volumen devariables amerita el uso de extensas matrices.
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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•Estos métodos en mención son más efectivos que losvistos anteriormente y han permitido solucionarsistemas de hasta 1000 ecuaciones y variables a unmás, sistemas que se presentan en la solución numéricade ecuaciones diferenciales parciales (EDP).
•Supongamos que tenemos el sistemaAx = b (1)•Luego podemos escribir como:Ax – b = 0 (2)Que es una ecuación vectorial que se puede escribir así:f (x) = 0 (3)
8
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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El propósito es buscar una matriz B y su vector C de talforma que la ecuación vectorial es la siguiente:x = B x + C (4)
Sea un arreglo de la ecuación (1) ie que la solución deuna ecuación sea también solución de la otra ecuación,luego se propone lo siguiente:Primero: Proponer un vector inicial x(0) como la primeraaproximación al vector solución xSegundo: calcular la sucesión de vectores que sonsoluciones aproximadas
9
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
soluciónvectorxxxxx ,.....,,,, )4()3()2()1(
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Usando:
Donde:
10
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
,.....2,1,0,)()1( RCBxx RR
TRn
RRR xxxx ,......,, 21)(
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Observación:1. Para que la sucesión de soluciones converja a x
vector solución es necesario que seaproxime al vector decirsean menores que un valor pequeño fijadopreviamente y que se mantengan menores paratodos los vectores siguientes de la iteración.Es decir:
2. La forma como llegar a la ecuación x = Bx + C sedefine al algoritmo y su convergencia.
11
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
njx mj 1,
njx j 1, njxx jmj 1,
njxx jmjm
1,lim
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. Sea dada el sistema
Con a11 ≠ 0, a22 ≠ 0, a33 ≠ 0
De tenemos que:
(5)
12
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
3
2
1
3
2
1
3
2
1
333231
232221
131211
bbb
xxx
aaaaaaaaa
13
11
132
11
12
11
11 x
aa
xaa
ab
x
233
321
33
31
33
33
322
231
22
21
22
22
xaa
xaa
ab
x
xaa
xaa
ab
x
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(6)
13
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
CBxxababab
xxx
aa
aa
aa
aa
aa
aa
xxx
33
3
22
2
11
1
3
2
1
33
32
33
31
22
23
22
21
11
13
11
12
3
2
1
0
0
0
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Una vez que es determinada la ecuación (6) sepropone un vector inicial x(0) que puede ser x(0) = 0“cero” o algún otro vector que sea aproximado alvector solución x.
Para determinar la sucesión buscada de solucióniterativo tenemos los siguientes métodos numéricos:•Método de Jacobi (Desplazamiento simultaneo)•Método de Gauss –Seidel (Desplazamiento sucesivo)•Método de Sobrerelajación (Succesive-Over-Relaxations)
14
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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Convergencia• Este criterio también se aplica a las ecuaciones lineales que se
resuelven con el método de Gauss-Seidel. Por tanto, al aplicar estecriterio sobre las ecuaciones de Gauss-Seidel y evaluando conrespecto a cada una de las incógnitas, obtenemos la expresiónsiguiente:
• En otras palabras, el valor absoluto de las pendientes en laecuación, deben ser menor que la unidad para asegurar laconvergencia.
• Esto es, el elemento diagonal debe ser mayor que el elemento fuerade la diagonal para cada reglón de ecuaciones. La generalización delcriterio anterior para un sistema de n ecuaciones es:
122
21 aa
111
12 aa
2122 aa 1211 aa
n
jjiii aa
1,
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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Convergencia
• Resultado de las iteraciones utilizando las ecuaciones sin ordenar
Divergencia Seidel
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
-20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70
X1
X2
Divergencia Jacobi
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
-60 -40 -20 0 20 40 60 80
X1
X2
X1 X20.00 0.0026.00 0.0026.00 20.781.44 20.781.44 -9.2336.91 -9.2336.91 34.12-14.32 34.12-14.32 -28.5059.68 -28.5059.68 61.95-47.21 61.95-47.21 -68.70107.19 -68.70107.19 120.01-115.83 120.01-115.83 -152.57
Divergencia Seidel
X1 X20.00 0.0026.00 -11.0039.00 20.781.44 36.67
-17.33 -9.2336.91 -32.1964.04 34.12-14.32 67.27-53.50 -28.5059.68 -76.39
Divergencia Jacobi
99911:2861311:
21
21
xxvxxu
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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Convergencia• Resultado de las iteraciones
utilizando previamente el criterio de diagonal dominante
Convergencia Seidel
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 5 10 15 20 25X1
X2
Convergencia Jacobi
-5
0
5
10
15
20
25
0 5 10 15 20 25 30
X1
X2
X1 X20.00 0.009.00 0.009.00 14.3820.77 14.3820.77 4.4312.62 4.4312.62 11.3218.26 11.3218.26 6.5514.36 6.5514.36 9.8517.06 9.8517.06 7.5615.19 7.5615.19 9.1516.48 9.1516.48 8.0515.59 8.0515.59 8.81
Convergencia Seidel
X1 X20.00 0.009.00 22.0027.00 14.3820.77 -0.858.31 4.4312.62 14.9721.25 11.3218.26 4.0212.29 6.5514.36 11.6018.49 9.8517.06 6.3514.20 7.5615.19 9.9917.17 9.1516.48 7.4715.11 8.05
Convergencia Jacobi
2861311:99911:
21
21
xxuxxv
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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18
Métodos IterativosMétodos Iterativos
Jacobi, Gauss Seidel, Relajación
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19
Método de Jacobi
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MÉTODO DE DESPLAZAMIENTO SIMULTÁNEO DEJACOBI
Si es el vector de aproximación a lasolución x después de R iteraciones, entonces,tendremos la siguiente aproximación
20
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
R
R
R
R
xxx
x
3
2
1)(
)(1
)(1
)(1
232131333
323121222
313212111
13
12
11
1
RR
RR
RR
R
R
R
R
xaxaba
xaxaba
xaxaba
xxx
x
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Fenómeno que se puede generalizar para n ecuaciones
21
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
nixaba
xn
ijj
Rjjii
ii
Ri ,.....,2,1,1
1
1
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22
Método de Jacobi• Este método se puede ilustrar usando las siguientes ecuaciones:
(1)
1313212111 bxaxaxa
2323222121 bxaxaxa
3333232131 bxaxaxa
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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23
Método de Jacobi• El método comienza resolviendo la ec. 1 para x1, x2 y x3 e
introduciendo el índice k que se utilizara para indicar el número de iteraciones, se obtiene:
(2)
11
)(313
)(2121)1(
1 axaxabx
kkk
22
)(323
)(1212)1(
2 axaxabx
kkk
33
)(232
)(1313)1(
3 axaxabx
kkk
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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24
Método de Jacobi• Además se requiere de un vector inicial
xi = (x1 (k), x2
(k), x3 (k))
el cual representa la primera aproximación de la solución del sistema, con lo que se produce x k+1.
• Este vector si no se conoce se puede asumir como:
x0 = (0 (0), 0 (0), 0 (0))
• Con estos valores y las fórmulas de las ecuaciones (2) se vancalculando los nuevos valores de xi
• El proceso se continua hasta que | xi+1 – xi| ≤ ea.
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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25
Método de JacobiEjemplo 1:
Resolver el siguiente sistema de tres ecuaciones por el Método de Jacobi, para un a = 5% :
17 X1– 2 X2 – 3 X3= 500
-5 X1 + 21 X2– 2 X3= 200
-5 X1 – 5 X2+ 22 X3= 30
Las siguientes fórmulas las utilizamos para encontrarX1, X2 y X3 en cada una de las iteraciones
11
31321211 a
xaxabx
22
32312122 a
xaxabx
33
23213133 a
xaxabx
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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26
• Para la primera iteración el valor de X1, X2 y X3 a sustituir en cada una se asumirá como cero.
• Aplicando (2) se obtiene:
41176,2917
0302500
1
1
11
31321211
x
x
axaxabx
41176,2917
0302500
1
1
11
31321211
x
x
axaxabx
52381,921
0205200
2
2
22
32312122
x
x
axaxabx
52381,921
0205200
2
2
22
32312122
x
x
axaxabx
36364,122
050530
3
3
33
23213133
x
x
axaxabx
36364,122
050530
3
3
33
23213133
x
x
axaxabx
Método de Jacobi
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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27
Método de Jacobi• Para la segunda iteración el valor de X1, X2 y X3 serán los calculados
anteriormente.
• Aplicando (2) se obtiene:
77285,3017
36364,1352381,92500
1
1
11
31321211
x
x
axaxabx
77285,3017
36364,1352381,92500
1
1
11
31321211
x
x
axaxabx
65648,1621
36364,1241176,295200
2
2
22
32312122
x
x
axaxabx
65648,1621
36364,1241176,295200
2
2
22
32312122
x
x
axaxabx
21263,1022
52381,9541176,29530
3
3
33
23213133
x
x
axaxabx
21263,1022
52381,9541176,29530
3
3
33
23213133
x
x
axaxabx
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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28
Método de Jacobi• Una vez obtenidos estos resultados se debe calcular el error
aproximado porcentual para cada uno de los resultados, para elloutilizamos la siguiente fórmula:
Dado que no se cumple con el a se debe continuar iterando.
%100
nuevor
anteriorr
nuevor
a xxx
%5%423,4
%10077285,30
41176,2977285,30
1
1
ax
ax
%5%423,4
%10077285,30
41176,2977285,30
1
1
ax
ax
%5%822,42
%10065648,16
52381,965648,16
2
2
ax
ax
%5%822,42
%10065648,16
52381,965648,16
2
2
ax
ax
%5%648,86
%10021263,10
36364,121263,10
3
3
ax
ax
%5%648,86
%10021263,10
36364,121263,10
3
3
ax
ax
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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29
Método de Jacobi• Siguiendo el mismo procedimiento, se obtiene el siguiente cuadro de
resultados:
Se resaltan los datos donde los errores obtenidos son menores que 5%, selogra un error aproximado porcentual menor en las tres incógnitas hastala quinta iteración.
Iteración x1 x2 x3 a x1 a x2 a x30 0,00000 0,00000 0,000001 29,41176 9,52381 1,363642 30,77285 16,65648 10,21263 4,423% 42,822% 86,648%3 33,17358 17,82331 12,14303 7,237% 6,547% 15,897%4 33,65151 18,57876 12,95384 1,420% 4,066% 6,259%5 33,88347 18,76977 13,23415 0,685% 1,018% 2,118%
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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30
Método de Jacobi• Si sustituimos estos valores en las ecuaciones originales para verificar los
resultados se obtiene:
17 *(33,88347) – 2 *(18,76977) – 3 *(13,23415) = 498,77703-5 *(33,88347) + 21 *(18,76977) – 2 *(13,23415) = 198,27957-5 *(33,88347) – 5 *(18,76977) + 22 *(13,23415) = 27,88513
• Al calcular los porcentajes de error de estos resultados se obtiene:
0,88%%10030
27,88513-30 Error
0,10%%100200
198,27957-200 Error
0,03%%100500
498,77703-500 Error
EC3
EC2
EC1
0,88%%10030
27,88513-30 Error
0,10%%100200
198,27957-200 Error
0,03%%100500
498,77703-500 Error
EC3
EC2
EC1
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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Ejemplo:
Solución:
31
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
14001401041004
4321
4321
4321
4321
xxxxxxxxxxxxxxxx
CxBx
xxxx
xxxx
xx
xxx
xxx
xx
4/14/14/14/1
04/1004/104/10
04/104/1004/10
441
4441
4441
41
4
4
3
2
1
4
3
2
1
34
423
312
21
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Valor InicialCuando no tenemos una aproximación inicial del vectorsolución, se usa como vector inicial el vector cero, ie
Método de Jacobi
Para determinar x(1) reemplazamos x(0) en el sistema dadoie
32
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
Tx 0,0,0,00
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Para determinar x(1) reemplazamos x(0) en el sistema dadoie
33
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
T
x
x
x
x
x
x
x
x
xx
41,
41,
41,
41
41414141
40
41
40
40
41
41
40
40
41
4
)1(
4
3
2
1
14
13
12
211
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Determinando x(2)
34
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
T
x
xx
xx
xx
xxx
165,
165,
165,
165
165
65
41
411
41
166
46
41
41
4111
41
166
46
41
411
4141
41
165
411
4101
41
)2(
34
24
33
23
32
22
31
22
21
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35
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
R
0 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
1 0.2500 0.2500 0.2500 0.2500
2 0.3125 0.3750 0.3750 0.3125
3 0.3438 0.4219
4 0.3555 0.4414
5 0.3604 0.4492
6 0.3223 0.4524
7 0.3631 0.4537
8 0.3634 0.4542
9 0.3635 0.4544
10 0.3636 0.4545 0.4545 0.3636
Rx1Rx 2
Rx3Rx4
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36
Método Gauss-Seidel
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MÉTODO GAUSS – SEIDEL DESPLAZAMIENTO SUCESIVOEste método se diferencia del anterior en que los valoresque se van calculando en la (R + 1) – ésima iteración seusan para calcular los valores restantes de esa mismainteracción.
37
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
nixaxaba
x
xaxaba
xaxaba
xaxaba
xxx
x
i
ijj
Rji
Rn
Iiij
jiiii
Ri
RR
RR
RR
R
R
R
R
1,1
)(1
)(1
)(1
1
1
1
1
1
1232
11313
33
3231
121222
312212111
13
12
11
1
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38
• Este método en general converge mas rápidamente que el método deJacobi.
• Supone que una mejor aproximación a la solución, se obtienesustituyendo los valores parciales calculados, en lugar de asumir unaaproximación inicial.
• Utilizando las ecuaciones de (1):1313212111 bxaxaxa
2323222121 bxaxaxa
3333232131 bxaxaxa
Método de Gauss-Seidel
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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39
• Y despejando para x1, x2 y x3 y adicionando los valores ya obtenidos,esta se puede expresar como:
El valor de x1 se calcula con los valores asumidos de x2 y x3.
Posteriormente el valor de x1 obtenido y x3 asumido, se usan paracalcular x2. Y finalmente el nuevo valor de x3 sale de los valorescalculados x1 y x2.
33
)1(232
)1(1313)1(
3 axaxabx
kkk
33
)1(232
)1(1313)1(
3 axaxabx
kkk
22
)(323
)1(1212)1(
2 axaxabx
kkk
22
)(323
)1(1212)1(
2 axaxabx
kkk
11
)(313
)(2121)1(
1 axaxabx
kkk
11
)(313
)(2121)1(
1 axaxabx
kkk
Método de Gauss-Seidel
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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40
Ejemplo: Resolver el siguiente sistema de tres ecuaciones por el
Método de Gauss Seidel, para un a = 5% :17 X1– 2 X2 – 3 X3= 500
-5 X1 + 21 X2– 2 X3= 200
-5 X1 – 5 X2+ 22 X3= 30
Las siguientes fórmulas las utilizamos para encontrarX1, X2 y X3 en cada una de las iteraciones
11
31321211 a
xaxabx
11
31321211 a
xaxabx
22
32312122 a
xaxabx
22
32312122 a
xaxabx
33
23213133 a
xaxabx
33
23213133 a
xaxabx
Método de Gauss-Seidel
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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41
• El valor de x1 se calcula con los valores asumidos de x2 y x3 que en principioes cero. Posteriormente el valor de x1 obtenido y x3 asumido (0), se usanpara calcular x2. Y finalmente el nuevo valor de x3 sale de los valorescalculados x1 y x2.
41176,2917
0302500
1
1
11
31321211
x
x
axaxabx
41176,2917
0302500
1
1
11
31321211
x
x
axaxabx
52661,1621
0241176,295200
2
2
22
32312122
x
x
axaxabx
52661,1621
0241176,295200
2
2
22
32312122
x
x
axaxabx
80418,1122
52661,16541176,29530
3
3
33
23213133
x
x
axaxabx
80418,1122
52661,16541176,29530
3
3
33
23213133
x
x
axaxabx
Método de Gauss-Seidel
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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42
• Para la segunda iteración, en el cálculo de X1 el valor de X2 y X3 serán los calculados anteriormente. Entonces para X1:
• Para X2 se utiliza el valor de X3 de la primera iteración y el de X1 de la segunda iteración:
43916,3317
80418,11352661,162500
1
1
11
31321211
x
x
axaxabx
43916,3317
80418,11352661,162500
1
1
11
31321211
x
x
axaxabx
60972,1821
80418,11243916,335200
2
2
22
32312122
x
x
axaxabx
60972,1821
80418,11243916,335200
2
2
22
32312122
x
x
axaxabx
Método de Gauss-Seidel
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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43
• Una vez obtenidos estos resultados,se debe calcular el error aproximadoporcentual para cada uno de losresultados, con la fórmula:
19293,1322
60972,18543916,33530
3
3
33
23213133
x
x
axaxabx
19293,1322
60972,18543916,33530
3
3
33
23213133
x
x
axaxabx
%100
nuevor
anteriorr
nuevor
a xxx %100
nuevo
r
anteriorr
nuevor
a xxx
Para X3 se utiliza el valor de X1 y X2 calculados en la segunda iteración:
Método de Gauss-Seidel
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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44
• Una vez aplicado el cálculo de error se determina que los valores sonsuperiores a la premisa inicial (a = 5%), determinándose que sedeben continuar las iteraciones hasta que se cumpla el criterio.
• Se resaltan los datos donde los errores obtenidos son menores que5%, se logra un error aproximado porcentual menor en las tresincógnitas en la tercera iteración
Iteración x1 x2 x3 a x1 a x2 a x3
0 0,00000
1 29,41176 16,52661 11,80418
2 33,43916 18,60972 13,19293 12,044% 11,194% 10,526%
3 33,92931 18,85869 13,36091 1,445% 1,320% 1,257%
Método de Gauss-Seidel
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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45
• Si sustituimos estos valores en las ecuaciones originales para verificar losresultados se obtiene:
17 *(33,92931) – 2 *(18,85869) – 3 *(13,36091) = 498,99813-5 *(33,92931) + 21*(18,85869) – 2 *(13,36091) = 199,66404-5 *(33,92931) – 5 *(18,85869) +22 *(13,36091) = 30,00000
• Al calcular los porcentajes de error de estos resultados se obtiene:
• Los resultados obtenidos son una aproximación muy buena de los valoresverdaderos.
0,00%%10030
30-30 Error
0,17%%100200
199,66404-200 Error
0,20%%100500
498,99813-500 Error
EC3
EC2
EC1
0,00%%10030
30-30 Error
0,17%%100200
199,66404-200 Error
0,20%%100500
498,99813-500 Error
EC3
EC2
EC1
Método de Gauss-Seidel
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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Método de Gauss Seidel
46
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
1332
11313
33
412323
11212
22
41431312111
14
13
12
11
1
1
1
1
RR
RR
RRR
R
R
R
R
R
xaxaba
xxaxaba
xaxaxaba
xxxx
x
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Determinación del
47
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
1343
1242
11414
44
)1( 1 RRR xaxaxaba
x
25689,
6425,
125,
41
25689)14/25001(
41
6425))16/5(1)4/1(11(
41
165))0(1)4/1(11(
41
41)0)0(1(
41
1
14
14
13
13
12
12
11
11
x
xx
xx
xx
xx
![Page 48: Catedra Metodos Numericos 2015 - Miscelaneas Blog's · PDF fileCapitulo VI Sistema de Ecuaciones Algebraicas Lineales – Métodos Iterativos ING.˜CRISTIAN˜CASTRO˜P.2](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022021501/5a9638b47f8b9adb5c8cc2eb/html5/thumbnails/48.jpg)
Observación:•La sucesión de vectores converge o sealeja del vector solución
•Cuando se detendrá el proceso iterativo
•Rpta: Si la sucesión converge a la solución x casoesperado que los componentes de x(R) converjan a suselementos
48
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
,....,....,,, )()3()2()1( Rxxxx Tnxxxxx ,.....,,, 321
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Ejemplo:Resolver el siguiente sistema con el método de GaussSeidel con E = 10-2 aplicando a |xK+1 – xK|
49
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
3221548910253
4321
42
4321
4321
xxxxxxxxxxxxxx
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Resolviendo: x1 de (1) x2 de (2) x3 de (4) y x4 de (3)
50
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
2322
915
94
98
9
10253
24
43213
4312
4321
xxxxxxx
xxxx
xxxx
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Si x0 = (0, 0, 0, 0)T : determinamos:
51
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
05.143971.1680.11082.1701.63130.15917.202.121172.189889.672
62.177778.0222.147778.20000.101000000
|| 14321
KKKKKK xxxxxxK
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El proceso diverge: Luego podemos arreglar las ecuacionespara despejar los diferentes “x” “y”, que despejadassean distintas, para aplicar el teorema se debe tener soloen cuenta una aproximación pues caso contrario son rarosen donde se encontraría tales sistemas
52
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
25
105
25
35
915
94
98
9
23
222
24
4213
4312
4321
xx
xxxx
xxxx
xxxx
nKn
K
K
xx
xx
xx
22
11
Caso contrario se alejan
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•Los valores absolutosque sean todos menores de númeropequeño E cuyo valor será dado
•Si el número de iteraciones ha excedido unmáximo dado•Detener el proceso una vez que
53
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
||,......|,||,| 12
121
11
Kn
Kn
KKKK xxxxxx
Exx KK || 1
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¿Cómo asegurar la convergencia si existe?El proceso de Jacobi y Gauss – Seidel convergerán si en lamatriz de coeficiente cada elemento de la diagonalprincipal es mayor que la suma de los valores absolutosde todos los demás elementos de la misma fila ocolumna (matriz diagonal dominante)
54
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
njaay
niaa
jii
ijii
n
jjj
ijii
1||
1||||
1
1
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55
Métodos de Relajación
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MÉTODO DE RELAJACIÓN DE SOREste método es muy similar al método de Jacobi y Gauss-Seidel sediferencia por usar una escala para reducir el error de aproximación,es una metodología mas reciente, para determinar X(k) lo realiza conel modelo:
0bsevemos que cuanto w=1, tenemos de Gauss-Seidel, cuanto0<w<1 el procedimiento se llama método de subrelajación y se usapara obtener convergencia cuando el método de Gauss-Seidel noconverge.
56
Método de SOR
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Cuando 1<w se le llama método de sobrerrelajación, generalmentese le conoce como el metodo de SOR acrónimo del inglesSuccessive Over Relaxation (Sobre relajación sucesiva) se utilizanpara resolver sistemas lineales que aparecen en la resolución deciertas ecuaciones en derivadas parciales.
Para determinar la forma matricial del método de SOR rescribimosla relación anterior de la siguiente manera:
57
Método de SOR
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Ejemplo
La solución del sistema dado es (3,4,-5)t , usaremos w=1.25 para elmétodo de SOR con un valor inicial de (1,1,1)t, para k=1Tenemos
58
Método de SOR
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Cuadro en 7 iteraciones
59
Método de SOR
k 0 1 2 3 4 5 6 7
1 6.312500 2.6223145 3.133027 2.9570512 3.0037211 2.9963276 3.00004
1 3.5195313 3.9585266 4.0102646 4.0074838 4.0029250 4.0009262 4.00026
1 -6.6501465 -4.6004238 -5.0966863 -4.9734897 -5.0057135 -4.998282 -5.0004
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60
Método Gauss-Seidel con relajación
• El método de Gauss-Seidel con Relajación es muy similar a al método deGauss-Seidel, la diferencia es que usa un factor de escala para reducir elerror de aproximación.
• Este método obtiene un nuevo valor estimado haciendo una ponderaciónentre el valor previo y el calculado utilizando un factor de ponderación
0 2
)( )1()()1()( ki
ki
ki
ki xxxx )( )1()()1()( k
ik
ik
ik
i xxxx
anteriori
nuevoi
nuevoi xxx )1( anterior
inuevo
inuevo
i xxx )1(
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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61
Método Gauss-Seidel con relajación = 1
El resultado no se modifica Se convierte en la ecuación de Gauss-Siedel
< 1 Se conoce como subrelajación Para hacer que un sistema no convergente converja o apresure la
convergencia al amortiguar las oscilaciones.
> 1 Se conoce como sobrerelajación Se usa cuando la convergencia va en la dirección correcta hacia la solución
verdadera, pero con una velocidad demasiado lenta. Para llevarla más cercade la verdadera.
La elección de es empírica, se utiliza para la solución de un sistema que se deberesolver de manera repetitiva.
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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62
Método Gauss-Seidel con relajación• Y despejando para x1 , x2 y x3, y adicionando los valores ya obtenidos,
esta se puede expresar como:
El valor de x1 se calcula con los valores asumidos de x2 y x3.
Posteriormente el valor de x1 obtenido y x3 asumido, se usan paracalcular x2. Y finalmente el nuevo valor de x3 sale de los valorescalculados x1 y x2.
33
)1(232
)1(1313)1(
3 axaxabx
kkk
33
)1(232
)1(1313)1(
3 axaxabx
kkk
22
)(323
)1(1212)1(
2 axaxabx
kkk
22
)(323
)1(1212)1(
2 axaxabx
kkk
11
)(313
)(2121)1(
1 axaxabx
kkk
11
)(313
)(2121)1(
1 axaxabx
kkk
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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63
Método Gauss-Seidel con relajaciónEjemplo 3:
Emplee el método de Gauss-Seidel con relajación para resolver(=0.90 y a = 5%):
-5 X1 + 12 X3 = 804 X1 – 1 X2 – 1 X3 = - 26 X1 + 8 X2 = 45
Si es necesario reordene las ecuaciones para que el sistemaconverja.
452
80
86114
125
3
2
1
xxx
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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64
Método Gauss-Seidel con relajaciónVerificando el criterio de convergencia:
Para un sistema de 3 x 3 obtenemos:
n
ijj
jiii aa1
,,
323133
232122
131211
aaa
aaa
aaa
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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65
Método Gauss-Seidel con relajaciónEsto quiere decir que el elemento diagonal debe ser mayor al elementofuera de la diagonal para cada fila. Por tanto reorganizamos el sistemade la siguiente forma:
Por lo tanto se puede asegurar la convergencia con este arreglo.
8045
2
12586
114
3
2
1
xxx
512
68
114
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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66
Método Gauss-Seidel con relajación
Para calcular el primer valor de X1, seasumirán X2 y X3 con valores cero.Entonces para X1,
Para calcular el valor de X2, se utilizarásolamente el valor encontrado de X1, dadoque a23 es cero.
Para calcular el valor de X3, se utilizarásolamente el valor encontrado de X1, dadoque a32 es cero.
50000,04
01012
1
1
11
31321211
x
x
axaxabx
50000,04
01012
1
1
11
31321211
x
x
axaxabx
00000,68
)50000,0(645
2
2
22
32312122
x
x
axaxabx
00000,68
)50000,0(645
2
2
22
32312122
x
x
axaxabx
45833,612
)50000,0(580
3
3
33
23213133
x
x
axaxabx
45833,612
)50000,0(580
3
3
33
23213133
x
x
axaxabx
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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67
Método Gauss-Seidel con relajación• Segunda iteración:
61458,24
45833,610000,612
1
1
11
31321211
x
x
axaxabx
30313,2
)50000,0()9,01(61458,29,0
)1(
1
1
111
nuevo
nuevo
anteriornuevonuevo
x
x
xxx
89766,38
)30313,2(645
2
2
22
32312122
x
x
axaxabx
10789,4
)00000,6()9,01(89766,39,0
2
2
nuevo
nuevo
x
x
62630,712
)30313,2(580
3
3
33
23213133
x
x
axaxabx
50951,7
)45833,6()9,01(62630,79,0
3
3
nuevo
nuevo
x
x
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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68
Método Gauss-Seidel con relajación• Se debe realizar el cálculo de los errores y se debe continuar iterando
hasta que se cumpla la premisa inicial (a = 5%).
• Se resaltan los datos donde los errores obtenidos son menores que 5%, se logra un error aproximado porcentual menor en las tres incógnitas en la cuarta iteración
Iteración x1 x2 x3 a x1 a x2 a x3
0 0,00000 0,00000 0,00000
1 -0,50000 6,00000 6,45833
2 2,30313 4,10789 7,50951 121,71% 46,06% 14,00%
3 2,39423 3,85719 7,64879 3,81% 6,50% 1,82%
4 2,37827 3,84289 7,65673 0,67% 0,37% 0,10%
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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69
Método Gauss-Seidel con relajación• Si sustituimos estos valores en las ecuaciones originales para verificar los
resultados se obtiene:
4 *(2,37827) – 1 *(3,84289) – 1 *(7,65673) = -1,986556 *(2,37827) + 8 *(3,84289) + 0 *(7,65673) = 45,01271-5 *(2,37827) + 0 *(3,84289) + 12 *(7,65673) = 79,98941
• Al calcular los porcentajes de error de estos resultados se obtiene:
0,01%%10080
79,98941-80 Error
0,03%%10045
45,01271-45 Error
0,67%%1002-
(-1,98655)-2- Error
EC3
EC2
EC1
0,01%%10080
79,98941-80 Error
0,03%%10045
45,01271-45 Error
0,67%%1002-
(-1,98655)-2- Error
EC3
EC2
EC1
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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70
Comparación de Métodos
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71
Ejercicio
• Resolver el siguiente sistema de ecuaciones, para un error a 5 %, con los tres métodos analizados.
144
124
21121
12
3
2
1
xxx
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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72
Jacobi
%100
nuevor
anteriorr
nuevor
a xxx
33
23213133 a
xaxabx
11
31321211 a
xaxabx
22
32312122 a
xaxabx
Iteración X1 x2 x3 a x1 a x2 a x3
0 0,00000 0,00000 0,000001 62,00000 2,00000 7,000002 63,00000 36,50000 8,00000 1,587% 94,521% 12,500%3 80,25000 37,50000 25,25000 21,495% 2,667% 68,317%4 80,75000 54,75000 25,75000 0,619% 31,507% 1,942%5 89,37500 55,25000 34,37500 9,650% 0,905% 25,091%6 89,62500 63,87500 34,62500 0,279% 13,503% 0,722%7 93,93750 64,12500 38,93750 4,591% 0,390% 11,075%8 94,06250 68,43750 39,06250 0,133% 6,301% 0,320%9 96,21875 68,56250 41,21875 2,241% 0,182% 5,231%
10 96,28125 70,71875 41,28125 0,065% 3,049% 0,151%
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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73
Gauss-Seidel
%100
nuevor
anteriorr
nuevor
a xxx
33
23213133 a
xaxabx
11
31321211 a
xaxabx
22
32312122 a
xaxabx
Iteración x1 x2 x3 a x1 a x2 a x3
0 0,00000
1 62,00000 33,00000 23,50000
2 78,50000 53,00000 33,50000 21,019% 37,736% 29,851%
3 88,50000 63,00000 38,50000 11,299% 15,873% 12,987%
4 93,50000 68,00000 41,00000 5,348% 7,353% 6,098%
5 96,00000 70,50000 42,25000 2,604% 3,546% 2,959%
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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74
Gauss-Seidel con Relajación
%100
nuevor
anteriorr
nuevor
a xxx
33
23213133 a
xaxabx
11
31321211 a
xaxabx
22
32312122 a
xaxabx
anteriori
nuevoi
nuevoi xxx )1(
Iteración x1 x2 x3 a x1 a x2 a x3
0 0,00000 0,00000 0,00000
1 62,00000 33,00000 23,50000
2 81,80000 58,98000 39,08800 24,205% 44,049% 39,879%
3 93,42800 70,11360 42,65056 12,446% 15,879% 8,353%
4 97,78256 72,63715 43,45218 4,453% 3,474% 1,845%
= 1,20
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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75
Comparación de MétodosHaciendo un resumen de los resultados obtenidos en la siguiente tabla:
El método de Jacobi es el que utiliza una mayor cantidad de iteracionesy que además tiene errores mayores con respecto al valor verdadero.
Gauss-Seidel los errores son medianos, pero la cantidad de lasiteraciones en mucho menor que en el caso de Jacobi.
Gauss-Seidel con relajación se obtienen valores más cercanos a losverdaderos con una cantidad de iteraciones menor. Sin embargo elinconveniente radica en la elección del valor de .
Incógnita Valores verdaderos
Iteracio-nes
Valores aproximados Errores verdaderos
Jacobi Seidel C/Relaj Jacobi Seidel C/Relaj
X1 98,5 10 96,281 96,000 97,783 2,25% 2,54% 0,73%
X2 73,0 5 70,719 70,500 72,637 3,13% 3,42% 0,50%
X3 43,5 4 41,281 42,250 43,452 5,10% 2,87% 0,11%
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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76
Comparación de Métodos
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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77
Comparación de Métodos
Se observa que para las tres incógnitas con método de Jacobilos resultados son más oscilantes y convergen de forma máslenta.
Por el Método de Gauss-Seidel se da una convergenciarelativamente rápida.
Si al Método de Gauss-Seidel le aplicamos relajación laconvergencia es mucho más rápida hacia los valoresverdaderos.
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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78
Algoritmos
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79
AlgoritmosEn la práctica, normalmente utilizamos computadoraspara realizar las iteraciones, es por esta razón quenecesitamos implementar algoritmos para encontrarsoluciones de sistemas n x n mediante los métodosanteriormente descritos.
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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ALGORITMO DE LOS MÉTODOS DE JACOBI – GAUSSSEIDELPara solucionar el sistema de Ax = bDatos: Número de ecuaciones N
La matriz de coeficientes AEl vector de términos independientes bEl vector inicial xºEl número de iteración MATIZ
El valor de Eps. y M = 0 para usar Jacobi y M ≠ 0 para usar GaussSeidel obtenemos la solución aproximada x y el número deiteraciones K o el mensaje “No se alcanzó la convergencia”
80
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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Paso1: Arreglar la matriz aumentada de manera que la matriz coeficiente quede lo más cercano posible a la diagonal dominantePaso2: Hace K = 1Paso3: Mientras K ≤ Maxit repetir los pasos 4 a 18Paso4: Si M = 0 ir al paso 5 de otro modo hacer x = xºPaso5: Hacer I = 1Paso6: Mientras I ≤ N repetir los pasos 7 al 14Paso7: Hacer suma = 0Paso8: Hacer J = 1Paso9: Mientras J ≤ N, repetir los pasos 10 a 12Paso10: Si J = I ir al paso 12
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MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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Paso11: Hacer suma = suma + A(IJ) * xº(J)
Paso12: Hacer J = J + 1
Paso13: Si M = 0 hacerx(J) = -(b(J) - suma)/A(JJ)de otro modo hacerxº(I) = (b(J) – suma)/A(JJ)
Paso14: Hacer I = J + 1
82
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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Paso15: Si |x – xº| ≤ Eps. Ir al paso 19de otro modo hacer
Paso16: Si M = 0, hacer xº = x
Paso17: Hacer K = K + 1
Paso18: Imprimir mensaje “No se alcanzó la convergencia”, el vector x, MAXIT
Paso19: Imprimir el mensaje “Vector Solución”, x, K y el mensaje iteraciones terminada
83
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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84
Algoritmo JacobiFor k=1,2,…
For i=1,2,…, nxi=0For j=1,2,…,i-1,i+1,…,n
End
End
End
1 kjijii Xaxx
xxk
iiiii axbx /)(
)1(
,iii
(k)i - b
a1 k
j
n
ijji xax
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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85
Algoritmo Gauss-SeidelFor k=1,2,…
For i=1,2,…, nsum=0For j=1,2,…,i-1,
EndFor j=i+1,…,n
End
EndEnd
ii
n
ij
kjij
i
j
kjiji
ki a
xaxabx
1
11
1
kjij Xasumsum
1 kjij Xasumsum
iiiki asumbx /)(
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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86
Algoritmo Gauss-Seidel con relajación
i
n
ij
kjij
i
j
kjiji
ii
ki Xxaxab
ax
11
11
1
For k=1,2,…For i=1,2,…, n
sum=0For j=1,2,…,i-1,
EndFor j=i+1,…,n
End
EndEnd
kjij Xasumsum
1 kjij Xasumsum
iiiki asumbx /)(
)( 11 ki
ki
ki
ki xxxx
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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87
Primera iteración
Segunda iteración
Gauss-Seidel Iterativo de Jacobi
anteriori
nuevoi
nuevoi xxx )1( Gauss-Seidel con relajación
Desplazamientosimultáneo
Desplazamientosuccesivo
Resumen de los pasos de los métodos iterativos Jacobi, Gauss-Seidel sin y con relajación
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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88
SíntesisLos métodos iterativos son óptimos para grandes sistemas y son mejor aprovechados cuando se tienen matrices esparcidas.
Estos métodos iterativos están basados en el concepto de puntofijo, es decir ( xi = gi (x), i = 1.. n), para resolver sistemas deecuaciones lineales.
Para garantizar la convergencia se debe de cumplir que elsistema tenga una diagonal dominante, es decir que se cumplala desigualdad siguiente, si se cambio el orden de lasecuaciones esta puede divergir
n
iji
ijaiia1
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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89
SíntesisPara mejorar la convergencia, se usan técnicas como:Utilización de los cálculos previos asumiendo que una mejor aproximación que el vector de condiciones iniciales. (Gauss-Siedel ) Un factor de ponderación para reducir el error residual ( Relajación )
La selección de un vector de condiciones iniciales apropiado ayuda a reducir el número de iteraciones.
La selección de es de carácter práctico y de su elección se pueden lograr también que el número total de iteraciones se reduzcan.
La finalización del cálculo de iteraciones se logra cuando todos los elementos de vector de residual están debajo de la tolerancia requerida.
El método de Jacobi presenta mas oscilaciones que los métodos de Gauss-Siedel y relajación.
MÉTODOS ITERATIVOS DE SOLUCIÓN
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90
Métodos de Gradiente
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En esta oportunidad reflexionaremos sobre algunosmétodos especiales para resolver sistemas de ecuacioneslineales.
En donde la matriz A es de orden nxn simétrica y definidapositiva, en otras palabras, ,y debemosrecordar que el producto escalar de dos vectores X ,Y decomponentes reales es:
91
MÉTODOS DEL DESCENSO MÁS RÁPIDO DELGRADIENTE CONJUGADO
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Propiedades1.2.3.4.
Observemos que la propiedad 1 se refiere al orden de loselementos, 2, y 3 indican que se pueden invertir.
92
MÉTODOS DEL DESCENSO MÁS RÁPIDO DELGRADIENTE CONJUGADO
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Recordemos que si A es simétrica y definida positiva,entonces el problema de resolver Ax=b es equivalenteal problema:
Veamos por que esta afirmación es cierta; primeroveamos como se comporta q(x) a lo largo de un rayounidimensional. Para lo cual consideremos x+tv endonde x y v son vectores y t un escalar gráficamentetenemos
93
x
tv
x+ tv
MÉTODOS DEL DESCENSO MÁS RÁPIDO DELGRADIENTE CONJUGADO
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Mediante un calculo directo tenemos que para todoescalar t :
(*)
94
MÉTODOS DEL DESCENSO MÁS RÁPIDO DELGRADIENTE CONJUGADO
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Como A es simétrica es decir AT =A, entonces en laecuación (*) el coeficiente de t2, es positivo, de estamanera la función cuadrática sobre el rayounidimensional tiene un mínimo y no un máximo.
Calculando la derivada de la ecuación (*) con respecto at.
95
MÉTODOS DEL DESCENSO MÁS RÁPIDO DELGRADIENTE CONJUGADO
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Cuando la derivada es cero, existe un mínimo de q a lolargo del rayo unidimensional en este caso el valor de tes: ,
en consecuencia usando este valor podemosdeterminar el mínimo de q sobre el rayo unidimensional
(**)
96
MÉTODOS DEL DESCENSO MÁS RÁPIDO DELGRADIENTE CONJUGADO
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Lo que quiere decir esto es que al pasar q(x) de x a, siempre hay una reducción en el valor de q(x), a
menos que v sea ortogonal al residuo es decirSi x no es una solución del sistema Ax=b entoncesexisten una diversidad de vectores que satisfacen
Por lo tanto entonces x no minimiza q(x) y por lo contrariosi Ax=b no existe ningún rayo unidimensional que salga de xsobre el cual q(x) tome un valor menor a q(x), en consecuenciauna x con las características es un mínimo para q(x).
97
MÉTODOS DEL DESCENSO MÁS RÁPIDO DELGRADIENTE CONJUGADO
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Debemos manifestar que la reflexión anterior sugiere laexistencia de los métodos iterativos para resolver Ax=b,luego entonces procedemos de manera natural porminimizar q(x) a lo largo de una sucesión de rayos. Esdecir el algoritmo dispondrá de un proceso de:
En seguida nos preocupa determinar la dirección debúsqueda adecuada
Nuestro algoritmo será
98
MÉTODOS DEL DESCENSO MÁS RÁPIDO DELGRADIENTE CONJUGADO
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En donde
Debemos decir que una diversidad de métodositerativos tienen la forma general:
99
MÉTODOS DEL DESCENSO MÁS RÁPIDO DELGRADIENTE CONJUGADO
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Para valores particulares del escalar tK, y los valores devK, si , entonces tk, mide la distancia que nosmovemos de xK, para hasta la obtención de xk+1, ver lasiguiente figura.
100
MÉTODOS DEL DESCENSO MÁS RÁPIDO DELGRADIENTE CONJUGADO
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MÉTODO DEL DESCENSO MÁS RÁPIDOEste método se le considera dentro del grupo demétodos iterativos que usan el algoritmo anterior,considera que vK, debería ser el gradiente negativode q(x) en x(k), resultando que este gradiente apuntaen la dirección del residuoEs decir tenemos:
101
MÉTODOS DEL DESCENSO MÁS RÁPIDO DELGRADIENTE CONJUGADO
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Es decir tenemos:input x(0), A, b, Moutput 0, x(0)
for k=0,1,2,…, M-1 do
.output k+1, x(k+1)
end
102
MÉTODOS DEL DESCENSO MÁS RÁPIDO DELGRADIENTE CONJUGADO
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Debemos destacar al programar este algoritmo no esnecesario conservar los vectores de la sucesión , lo mismoocurre con , de manera el algoritmo seria:input x, A, b, Moutput 0, x)
for k=0,1,2,…, M-1 do
,.
output k, x)
end
103
Debemos destacar que estemétodo generalmente no seaplica a este tipo deproblemas como consecuenciade su lentitud
MÉTODOS DEL DESCENSO MÁS RÁPIDO DELGRADIENTE CONJUGADO
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MÉTODO DEL GRADIENTE CONJUGADOOtro método considerado dentro del algoritmo analizadoanterior es el método del gradiente conjugado de Hestenes yStiefel, el cual es aplicado a sistemas de la forma Ax=b, endonde A es considerada simétrica y definida positiva.
En este método las direcciones vK , son elegidas de una enuna en el proceso iterativo y forman un sistema A-ortogonal,los residuos forman un sistema ortogonal esdecir,
104
MÉTODOS DEL DESCENSO MÁS RÁPIDO DELGRADIENTE CONJUGADO
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MÉTODO DEL GRADIENTE CONJUGADODebemos decir que este método es preferible que elmétodo de eliminación Gaussiana simple cuando la matrizA es muy grande y rala.Este método en su inicio fue muy sorprendente eimportante pero después de dos décadas las cosas ya nofue así como consecuencia que se descubrió que laterminación finita no era asequible en la práctica.
105
MÉTODOS DEL DESCENSO MÁS RÁPIDO DELGRADIENTE CONJUGADO
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MÉTODO DEL GRADIENTE CONJUGADOPues la terminación finita era indeseable para un métododirecto, sin embargo posteriormente cuando se leconsidero como un método iterativo las cosas fuediferente, pues en estos métodos no es necesario obteneruna solución absoluta después de n pasos lo que seespera es obtener una respuesta satisfactoria.
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MÉTODOS DEL DESCENSO MÁS RÁPIDO DELGRADIENTE CONJUGADO
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La ejecución del algoritmo en una computadora precisa de un lugarde almacenamiento para cuatro vectores
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MÉTODOS DEL DESCENSO MÁS RÁPIDO DELGRADIENTE CONJUGADO
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Convergencia
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CONVERGENCIA
LONGITUD DE UN VECTORSupongamos x un vector en R2, su longitud denotadopor |x| es definido como un número positivo o cero.
En términos de producto punto
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CONVERGENCIA ,
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Ejemplo: sea determinar su norma
Debemos tener en consideración que el campo de losnúmeros reales R tiene el defecto de que unpolinomio de grado n con coeficientes reales nonecesariamente tiene n ceros realesejemplo
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CONVERGENCIA
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Su conjugado, norma, o modulo, se le define:
•El campo de los complejos ya no tiene la anomalía de los reales, esmas tenemos el teorema fundamental del algebra, que estableceque todo polinomio no constante con coeficientes complejostiene al menos un cero en el plano complejo.•La afirmación anterior permite afirmar que todo polinomio degrado n se puede descomponer como un producto de n factoreslineales.
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,,,,,,,,
,
CONVERGENCIA
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ESPACIO VECTORIAL Cn
El espacio vectorial Cn, esta compuesto de todoslos vectores en donde losSi al vector complejo x es multiplicado por también complejo elresultado es otro vector complejo.
En consecuencia Cn, es un espacio vectorial sobre el cambo deescalares C. En consecuencia en este espacio Cn. El productointerno se define
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,,,,,,,
,
CONVERGENCIA
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NORMA DE VECTORESUna norma en Rn es una función de || || de Rn en R que verifica laspropiedades
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.
CONVERGENCIA
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La norma Euclidiana se define:
Podemos observar que,
Consideremos A una matriz con elementos complejos, y A* denotasu conjugada transpuesta es decir en particular, si x esuna matriz de nx1 (o vector columna), entonces , es unamatriz de 1xn o vector fila,
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CONVERGENCIA
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En general podemos definir norma de un vector x
Como casos particulares tenemos la norma Euclidiana cuando p=2
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CONVERGENCIA
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Máximo valor absoluto
Estas propiedades son familiares en relación a la norma Euclidianao “longitud” de un vector.La norma de una matriz cuadrada, A , puede ser definida enforma consistente con la definición de norma de un vector:
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CONVERGENCIA
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La norma llamado generalmente norma infinito
Ejemplo:Dado el vectordeterminar sus normas Euclidiana e Infinito
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CONVERGENCIA
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DISTANCIA EN ENTRE VECTORES
Dado dos vectores en Rn, , , ladistancia I2 y , entre x e y se definen :
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CONVERGENCIA
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Ejemplo: Dado el sistema:3.3330x1+ 1.5920x2 – 10.333x3 =15.9132.2220x1+ 16.710x2 +9.6120x3 =28.5441.5611x1+ 5.1791x2 +1.6852x3 =8.4254
Consideremos la solución inicial, ,usamos eliminación de Gauss con Pivoteo parcialusando aritmética de cinco cifras con redondeo,obtenemos la siguiente solución:
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CONVERGENCIA
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Las dos medidas de la exactitud de aproximación dea x son:
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CONVERGENCIA
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Observamos que las componentes y son buenasaproximaciones a x2 y a x3, y la primera componente esuna aproximación muy pobre en términos de distanciasde ambas normas.Pues el término de distancia en Rn , es utilizada paradefinir el limite de una sucesión de vectores.
Diremos que una sucesión de vectores convergea x con respecto a la norma ||*|| si dado cualquierexiste un entero tal que:
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CONVERGENCIA
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Ejemplo. Dada la sucesión definida:
Tenemos que,
Es así que podemos encontrar un numero entero de talmanera que para todos los números
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CONVERGENCIA
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son menores que lo que nos afirma esto es que lasucesión converge a con respecto a la norma .
Los siguientes términos son equivalentes:La sucesión de vectores , converge a x con respecto aalguna norma.La sucesión de vectores , converge a x con respecto atodas las normas.El , la componente i-ésima de x, para cadai =1,2,..,n sucesión de vectores, converge a x conrespecto a alguna norma.
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CONVERGENCIA
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NORMAS MATRICIALESUna norma matricial en el espacio de matricial nxn es unafunción de variable real que verifica las siguientescondiciones para todas las matrices A y B de dimensiónnxn y todos los números reales
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CONVERGENCIA
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NORMA MATRICIAL MÁXIMO O SUBORDINADAEs la norma , vectorial en Rn, la cual se le define sobreel conjunto de todas las matrices de orden nxn así
Consecuentemente las normas que consideramos son:
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CONVERGENCIA
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Cuando n=2 su interpretación gráfica es:
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CONVERGENCIA
1
x
1-1
-1
x1
1
Ax
1-1
-1x1
-2 2
3
-3
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Norma de una matriz
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CONVERGENCIA
1
x
1-1
-1
x1
1x
1-1
-1x1
-2 2
-2
2AX
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Ejemplo: dada la matriz
DeterminarSolución
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CONVERGENCIA
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Muchas Gracias 129