Transcript ppt
SISTEMAS LINEARES
SISTEMAS LINEARES
( 1ª AULA)
( AULA 3 )
ESFORÇO COMPUTACIONAL
O ESFORÇO COMPUTACIONAL ENVOLVIDO NO MÉTODO TRADICIONAL
(TEOREMA DE LAPLACE) DE CÁLCULO DE DETERMINANTES É MUITO
GRANDE
EXEMPLIFICANDO
SISTEMAS LINEARES
O CÁLCULO DO DETERMINANTE DE UMA MATRIZ DE ORDEM 4 EXIGE
QUE CALCULEMOS O DETERMINANTE DE 4 MATRIZES DE ORDEM 3.
O CÁLCULO DO DETERMINANTE DE UMA MATRIZ DE ORDEM 5 EXIGE
QUE CALCULEMOS O DETERMINANTE DE 5 MATRIZES DE ORDEM 4 E
PORTANTO 20 MATRIZES DE ORDEM 3.
( 1ª AULA)
O CÁLCULO DO DETERMINANTE DE UMA MATRIZ DE ORDEM 6 EXIGE
QUE CALCULEMOS O DETERMIANTE DE 6 MATRIZES DE ORDEM 5 E
PORTANTO 120 MATRIZES DE ORDEM 3.
O CÁLCULO DO DETERMINANTE DE UMA MATRIZ DE ORDEM 7 EXIGE
QUE CALCULEMOS O DETERMINANTE DE 7 MATRIZES DE ORDEM 6 E
PORTANTO 720 MATRIZES DE ORDEM 3.
E ASSIM SUCESSIVAMENTE . . .
SENDO Mn E An RESPECTIVAMENTE O NÚMERO DE MULTIPLICAÇÕES
E ADIÇÕES NECESSÁRIAS PARA O CÁLCULO DO DETERMINANTE DE
UMA MATRIZ QUADRADA DE ORDEM n PELO MÉTODO DE LAPLACE,
TEMOS :
M1 = 0
e
M n = n + n . M n -1
SISTEMAS LINEARES
A1 = 0
e
An =
n - 1 + n . A n -1
E O NÚMERO TOTAL DE OPERAÇÕES É DADO POR :
(Δ 1ª= MAULA)
+ A
n
n
n
PARA CALCULAR MANUALMENTE O DETERMINANTE DE UMA MATRIZ
SUPONDO QUE O TEMPO MÉDIO PARA CADA OPERAÇÃO SEJA DE
5 SEGUNDOS TEMOS:
Δ 8 = 1 0 9 .5 9 9
n = 10 :
Δ 1 0 = 9 .2 3 4 .0 9 9
3 h o ra s
T
→
n= 8:
T
→
Δ 6 = 1 .9 5 5
→
n= 6:
1 5 2 h o ra s(
T
5 3 4 d ia s
6 d ia s )
VAMOS AGORA CALCULAR O ESFORÇO COMPUTACIONAL ENVOLVIDO
NO CÁLCULO DO DETERMINANTE DE UMA MATRIZ QUADRADA DE
ORDEM n COM O AUXÍLIO DE UM COMPUTADOR
n = 20 :
Δn
6 ,1 9 1 . 1 0
18
► 1984: UTILIZANDO UM COMPUTADOR IBM370 (MODELO 158) O
TEMPO PARA REALIZAR UMA ADIÇÃO ERA DE 0,9 . 10 – 6
SEGUNDOS E O TEMPO PARA UMA MULTIPLICAÇÃO ERA DE
1,9 . 10 – 6 SEGUNDOS. CONSIDERANDO UM TEMPO MÉDIO DE
1,4 . 10 – 6 SEGUNDOS:
SISTEMAS LINEARES
( 1ª
AULA)
2 7 5 .0
00 anos
T
► 2007: A INTEL VENCE A BARREIRA DOS 2 TeraFlops (2 TRILHÕES DE
OPERAÇÕES DE PONTO FLUTUANTE POR SEGUNDO)
T
3 6 d ia s
► 2008: O ROADRUNNER ENCABEÇA A LISTA TOP500. TRATA-SE DE
UM CLUSTER COM 122400 PROCESSADORES TRABALHANDO
COM 3200 MHz (12,8 GigaFlops)
T
1 h o ra( 6 6 m in u to s)
O NÚMERO DE OPERAÇÕES ENVOLVIDAS NA RESOLUÇÃO DE UM
SISTEMA LINEAR QUADRADO DE ORDEM n, PELA REGRA DE CRAMER
(QUE UTILIZA MATRIZES) É DADO POR:
Sn =
n + 1 . Δ
n
+ n
ASSIM, PARA UM SISTEMA DE ORDEM 20, TEMOS:
n = 20
Sn = 1,3 . 10
20
→
SISTEMAS LINEARES
EM 1984 UM IBM370 (MODELO 158) DEMORARIA 15 MILHÕES DE ANOS
PARA CALCULAR ESTE SISTEMA.
(
1ª
AULA)
JÁ O NÚMERO DE OPERAÇÕES ENVOLVIDAS NA RESOLUÇÃO DE UM
SISTEMA LINEAR QUADRADO DE ORDEM n, PELA MÉTODO DE GAUSS
É DADO POR:
3
2
Gn =
4n +9n -7n
6
n = 20
→
ASSIM, PARA UM SISTEMA DE ORDEM 20, TEMOS:
G n = 5 .9 1 0
EM 1984 UM IBM370 (MODELO 158) DEMORARIA 0,02 SEGUNDOS PARA
CALCULAR ESTE SISTEMA.
INVERSÃO DE MATRIZES POR GAUSS-JORDAN
O PROCESSO APRESENTADO ANTERIORMENTE PARA INVERTER UMA
MATRIZ QUADRADA DE ORDEM n, NÃO É VIÁVEL SOB O PONTO DE
VISTA COMPUTACIONAL, TENDO EM CONTA QUE SERIA NECESSÁRIO
RESOLVER n SISTEMAS LINEARES CADA UM DELES COM n EQUAÇÕES
A n INCÓGNITAS.
SISTEMAS LINEARES
ASSIM SENDO, VAMOS APRESENTAR UM OUTRO MÉTODO QUE REDUZ
SENSIVELMENTE O ESFORÇO COMPUTACIONAL ENVOLVIDO.
( O1ªMÉTODO
AULA)
CONSIDEREMOS A MATRIZ:
A =
a ∈ M R
ij
n
SE A MATRIZ A É INVERSÍVEL ENTÃO EXISTE UMA MATRIZ:
X =
TAL QUE:
x ∈ M R
ij
A.X = I
n
n
= X.A
A MATRIZ X SE DENOMINA MATRIZ INVERSA DE A E É REPRESENTADA
POR A - 1
a 11 a 12 . . . a 1n
a 21 a 22 . . . a 2n
.
.
.
.
.
.
a n1 a n2 . . . a nn
.
x 11 x 12 .
x 21 x 22 .
.
.
.
x n1 x n2 .
. .
x 1n
. . x 2n
.
.
.
. . x nn
X
=
1 0 . .
0 1 . .
. . . .
0 0 . .
. 0
. 0
. .
. 1
In
SISTEMAS LINEARES
A
NOTEMOS AGORA QUE AO MULTIPLICAR A MATRIZ A PELA j-ÉSIMA
1 ≤
j ≤ n
MATRIZ I n
COLUNA DA MATRIZ X OBTEMOS A j-ÉSIMA COLUNA DA
(
1ª
AULA)
, OU SEJA:
a 11 a 12 . . . a 1n
a 21 a 22 . . . a 2n
.
.
.
.
.
.
a n1 a n2 . . . a nn
.
xij
x
2j
.
.
xnj
=
0
.
1
.
0
a 11x 1j + . . . + a 1n x nj = 0
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
S j = a j1 x 1 j + . . . + a jn x n j = 0
..................
a n 1 x ij + . . . + a n n x n j = 0
ASSIM PARA DETERMINAR OS ELEMENTOS DA j-ÉSIMA COLUNA DA
MATRIZ A DEVEMOS RESOLVER O SISTEMA SJ , OU SEJA DEVEMOS
RESOLVER UM SISTEMA COM n EQUAÇÕES A n INCÓGNITAS.
A
Ic j
→
GAUSS-JORDAN :
I
Xcj
n
SISTEMAS LINEARES
OPERAÇÕES
ELEMENTARES
COLUNA j DE I n
ORA, COMO:
COLUNA j DE X
1≤ j ≤ n
( 1ª AULA)
GAUSS-JORDAN :
A
MATRIZ I n
I
n
→
CONCLUÍMOS QUE PARA OBTER TODOS OS ELEMENTOS DA MATRIZ X
DEVEMOS RESOLVER n SISTEMAS CADA UM DELES COM n EQUAÇÕES
A n INCÓGNITAS.
PORÉM, COMO TODOS ESTES SISTEMAS POSSUEM A MESMA MATRIZ
DE COEFICIENTES (MATRIZ A), PODEMOS UTILIZAR O ARTIFÍCIO:
I
n
OPERAÇÕES
ELEMENTARES
X
MATRIZ A - 1
EXEMPLO
DETERMINE SE POSSÍVEL A INVERSA DA MATRIZ:
SOLUÇÃO
INICIALMENTE CONSTRUÍMOS A MATRIZ:
1
2
1
4
3
1 0
5
4
0
-3
-2
0
A
1
A =
2
1
4
5
-3
3
4
-2
I3
0
1 0
0 1
SISTEMAS LINEARES
( 1ª AULA)
A IDÉIA AGORA É APLICAR SOBRE ESTA MATRIZ UMA SEQÜÊNCIA DE
OPERAÇÕES ELEMENTARES COM O OBJETIVO DE TRANSFORMAR A
MATRIZ A EM UMA MATRIZ IDENTIDADE DE ORDEM 3:
1
2
1
4
3
1 0
5
4
0
-3
-2
0
A
0
1 0
0 1
I3
OPERAÇÕES
→
ELEMENTARES
1
0
0
0
0
2
-1
1
0
8
-5
0
1
- 11
7
I3
A-1
RECOMENDAÇÃO
CONVÉM AGORA VERIFICAR QUE DE FATO A . A – 1 = I 3 A FIM DE
EVITAR ERROS DE CÁLCULO
1
2
- 3
CÁLCULO DE DETERMINANTES POR GAUSS
O PROCESSO SE BASEIA EM DOIS TEOREMAS:
TEOREMA I
O DETERMINANTE DE UMA MATRIZ QUADRADA:
SISTEMAS LINEARES
► TROCA DE SINAL QUANDO SE APLICA SOBRE A MATRIZ UMA
OPERAÇÃO DO TIPO E i j
► RESULTA MULTIPLICADO POR α QUANDO SE APLICA SOBRE A
MATRIZ UMA OPERAÇÃO DO TIPO E i ( α)
( 1ª AULA)
► NÃO SE ALTERA QUANDO SE APLICA SOBRE A MATRIZ UMA
OPERAÇÃO DO TIPO E i j (α)
TEOREMA II
O DETERMINANTE DE UMA MATRIZ TRIANGULAR É IGUAL AO
PRODUTO DOS ELEMENTOS DA DIAGONAL PRINCIPAL
EXEMPLO
CALCULE O DETERMINE DA MATRIZ:
2
1
A =
3
1
4
-1
2
-1
-1
1
1
1
2
2
1
1
ROTEIRO DA SOLUÇÃO
2
1
3
1
4
-1
2
-1
-1
1
1
1
2
2
1
1
K1
0
0
0
*
*
K2
*
0
K3
0
0
*
*
*
K4
SISTEMAS LINEARES
OPERAÇÕES
ELEMENTARES
( 1ª AULA)
ASSIM O DETERMINANTE DA MATRIZ A É DADO POR:
K1 . K2 . K3 . K
4
CUIDADO:
NÃO SE ESQUEÇA DE:
► TROCAR O SINAL DO PRODUTO K1 . K 2 . K 3 . K 4 TODA VEZ QUE FOR
UTILIZADA UMA OPERAÇÃO DO TIPO E i j
► DIVIDIR O PRODUTO K1 . K 2 . K 3 . K 4 POR α TODA VEZ QUE FOR
UTILIZADA UMA OPERAÇÃO DO TIPO E i ( α)
RESPOSTA: - 18