Universita degli Studi di Ancona - Facolta di Ingegneria Laurea in Ing. Elettronica (VO) Ing. Informatica e Automatica - Ing. delle Telecomunicazioni ANALISI NUMERICA - Primo Parziale - TEMA A (Prof. A.M.Perdon) Ancona, 8 Maggio 004 PARTE I. 1. Se l equazione f(x) = 0 ha una radice nell intervallo [1.4; 3.4], per determinare con il metodo dicotomico la radice con due decimali esatti possiamo fermarci dopo Perché? 8 passi 10 passi 13 passi 3.4 1.4 ɛ k k+1 0.5 10 k+1 0.5 10 1 k 0.5 10 1 0.5 10 k 10 k k = 8 k 00 k log (00) = 7.64386
Universita degli Studi di Ancona - Facolta di Ingegneria Laurea in Ing. Elettronica (VO) Ing. Informatica e Automatica - Ing. delle Telecomunicazioni ANALISI NUMERICA - Primo Parziale - TEMA A (Prof. A.M.Perdon) PARTE II. 1. Costruire la successione di Sturm per il polinomio: P (x) = 0.5x 4 x 3 x 1.5x Il termine noto è nullo, quindi raccogliamo dapprima il fattore comune x: e applichiamo Sturm solo al secondo fattore. P (x) = x (0.5x 3 x x 1.5) p 0 (x) = 0.5x 3 x x 1.5 p 1 (x) = 1.5x + x + 1 p (x) = x + 1.55 p 3 (x) = 1 Ancona, 8 Maggio 004. Dato il polinomio P (x) = 0.5x 4 x 3 x 1.5x, determinare: (a) la regione del piano di Gauss contenente tutte le radici di P (x) e gli intervalli di R in cui si trovano le radici reali; (b) Determinare quante sono le radici reali di P (x); (c) Calcolare tutte le radici di P (x) con almeno quattro decimali esatti. (a) a i λ = max i=1,..,n a 0 = 1.5 0.5 = 3 a i µ = max i=0,..,n 1 a n = 1 1.5 = 0.666667 Una radice è x 1 = 0; la regione del piano di Gauss che contiene tutte le altre radici, reali e complesse, di P (x), è: 1 = 0.6 z 4 = 1 + 3 1 + 0.666667 4-4 - 4 - -4
Le radici reali di P (x) si trovano nell intersezione della retta reale con il piano di Gauss, cioè in [ 4; 0.6] [0.6; 4] (b) Per determinare quante sono le radici reali di P (x), studiamo ora i segni assunti dalla successione di Sturm a, 0, + : p 0 (x) = 0.5x 3 x x 1.5 p 1 (x) = 1.5x + x + 1 p (x) = x + 1.55 p 3 (x) = 1 0 + p 0 (x) + p 1 (x) + p (x) + + p 3 (x) + + + w( ) = 1 w(0) = 1 w(+ ) = Poiché w(0) w( ) = 1 1 = 0, non ci sono radici reali negative. Poiché w(+ ) w(0) = 1 = 1, c è UNA radice reale positiva che deve appartenere a [0.6; 4] L intervallo [0.6; 4] è abbastanza ampio, conviene raffinare la nostra ricerca, studiando i segni assunti dalla successione di Sturm nel punto medio M = 4+0.6 =.3 e a 0, + : 0.6.3 4 p 0 (x) + p 1 (x) + p (x) + + + p 3 (x) + + + w(0.6) = 1 w(.3) = 1 w(4) = Dunque la radice si troverà nell intervallo [.3; 4]. Utilizziamo ad esempio il metodo di Newton-Raphson, con punto iniziale x 0 =.3 + 4 = 3.15 e schema iterativo x k+1 = x k P (x k) P (x k ) = x k + p 0(x k ) p 1 (x k ) : Stimiamo l errore, calcolando: m = 0 (x) = 0.136716 = m 1 m = 0.158368 0.16 3.15 p0(x) p (p 0 (x)) x 0 = 3.15 x 1 = 3.01089075 ɛ 0 m 1 m x 1 x 0 = 0.06735 x = 3.00006608 ɛ 1 m 1 m x x 1 = 0.001763 x 3 = 3.00000000 ɛ m 1 m x 3 x = 0.0000100 Quindi un approssimazione della radice reale non nulla di P (x) con 4 decimali esatti è 3.0000. Se vogliamo determinare le radici complesse di P (x) = x 3 8.13x + 18.4x 1.17, dividiamo p 0 (x) = 0.5x 3 x x 1.5 per il binomio x 3.0000, tramite il metodo di Ruffini: +0.5 1 1 1.5 3 +1.5 +1.5 +1.5 +0.5 +0.5 +0.5 Quindi P (x) = x(x 3.0000)(0.5x + 0.5x + 0.5) = 0.5x(x 3.0000)(x + x + 1). Ora troviamo le soluzioni di x + x + 1 = 0 mediante la formula risolutiva delle equazioni di II grado: x,3 = 1± (1) 4 1 1 = 1± 3 = = 1±i 3 = 1±i1.7305 = = 0.5 ± i 0.86605 Risultato: x 1 = 0, x = 3.0000, x 3 = 0.5 + i 0.8660, x 4 = 0.5 i 0.8660
3. Risolvere con il metodo di Gauss il seguente sistema: Scrivere tutti i passaggi. 100x + 74y + 9z = x 0.0y + 0.0005z = 0.119 37x + 4y 1z = 113.88 Il sistema si può scrivere come Ax = b, dove: 100 74 9 x A = 1 0.0 0.0005, x = y, b = 0.119 37 4 1 z 113.88 Scriviamo la matrice completa del sistema: 100 74 9 1 0.0 0.0005 0.119 37 4 1 113.88 Dal momento che la seconda riga presenta valori di grandezza molto minori rispetto alle altre due, conviene fare il bilanciamento, cioè moltiplicare la seconda riga per una costante, ad esempio 10 : 100 74 9 100 0.05 1.19 37 4 1 113.88 Applichiamo ora il metodo di Gauss: 100 74 9 100 74 9 100 0.05 1.19 R R 1 0 76 8.95 37 4 1 113.88 R 3 37 100 R.79 1 0 14.6.73 114.47 100 74 9 0 76 8.95.79 0 14.6.73 114.47 Per sostituzione all indietro, si ha: R 3 + 14.6 76 R 8.991z = 118.856 z = 118.856 8.991 = 4.19999 76y 8.95z =.79 y =.79+8.95 ( 4.19999) 76 = 1.3 100 74 9 0 76 8.95.79 0 0 8.991 118.856 100x + 74y + 9z = x = 74 1.3 9 4.19999 100 = 0.39998 0.39998 Quindi la soluzione approssimata sarebbe x = 1.3 4.19999 0.400 1.3000 4.000 Facoltativo: Determinare x in modo che sia verificata l uguaglianza: (136) 10 = (53) x x + 5x + 3 = 136 ha come soluzioni 7 e 19 ; è accettabile solo x = 7.
Universita degli Studi di Ancona - Facolta di Ingegneria Laurea in Ing. Elettronica (VO) Ing. Informatica e Automatica - Ing. delle Telecomunicazioni ANALISI NUMERICA - Primo Parziale - TEMA B (Prof. A.M.Perdon) Ancona, 8 Maggio 004 PARTE II. 1. Trovare la radice dell equazione e x 3x = 0 contenuta nell intervallo [0; 0.5] con 4 decimali esatti, utilizzando uno dei seguenti schemi di punto fisso: a) y = log(3x) b) y = ex 3 Ipotesi: g 1 (x) = log(3x) derivabile con derivata g 1(x) 1 = x log(3x inoltre, tra [0.34; 0.5] vale g 1(x) 1.5704, quindi g 1 (x) diverge. definita e continua su [0.34;0.5], Ipotesi: g (x) = ex 3 derivabile con derivata g (x) = xex 3 continua su [0; 0.5], dove vale g (x) m = 0.480, quindi g (x) converge. Il punto iniziale sarà il punto medio di [0; 0.5], cioè 0.5. L errore al passo n-esimo si stima ɛ k m 1 m x k+1 x k = 0.480 1 0.480 x k+1 x k 0.75 x k+1 x k La radice cercata, con 4 decimali esatti, è 0.387. x 0 = 0.5 x 1 = 0.354831486 ɛ 0 0.75 x 1 x 0 = 0.078636 x = 0.37805884 ɛ 1 0.75 x x 1 = 0.017401 x 3 = 0.384548937 ɛ 0.75 x 3 x = 0.0048680 x 4 = 0.386457104 ɛ 3 0.75 x 4 x 3 = 0.0014311 x 5 = 0.38706081 ɛ 4 0.75 x 5 x 4 = 0.000467 x 6 = 0.387196446 ɛ 5 0.75 x 6 x 5 = 0.000178 x 7 = 0.3874751 ɛ 6 0.75 x 7 x 6 = 0.0000383. Stimare l indice di condizionamento, con la norma, della matrice 0 1.5 7 A = 0.14 1.374 1 1.45.3 3.74 0. 1 0 7 L indice di condizionamento, con la norma, di una matrice non singolare A è la quantità k(a) := A A 1 Si vede facilmente che A = max i 4 j=1 a ij = 10. Anzichè calcolare A 1 che richiederebbe di determinare l inversa di A, sapendo che A 1 = sup y 0 A 1 y y possiamo stimare per difetto A 1 calcolando max i=1,...,k con y 1,..., y k (k = 5, 6 almeno) vettori arbitrari. y i Ay i,
3. Determinare l inversa della seguente matrice: 5 0 0 B = 7 0 0.5 4 9 0. 0. 0.138777878 10 16 0. 0. 0. B 1 = 0.7 0.5 0.55511 10 16 0.7 0.5 0. 0.3 0. 0.11111 0.3 1 9 9 Facoltativo: Risolvere l esercizio n.1 con il metodo di Newton-Raphson. Punto iniziale: x 0 = 0.5 e schema iterativo con m 0.480 e m 1 m 0.75. x k+1 = x k f(x k) f (x k ) = x k ex k 3xk x k e x k 3 x 0 = 0.5 x 1 = 0.377441639 ɛ 0 m 1 m x 1 x 0 = 0.0955813 x = 0.38701773 ɛ 1 m 1 m x x 1 = 0.007301 x 3 = 0.38769399 ɛ m 1 m x 3 x = 0.507196 10 4 x 4 = 0.3876940 ɛ 3 m 1 m x 4 x 3 = 0.4664 10 8
Universita degli Studi di Ancona - Facolta di Ingegneria Laurea in Ing. Elettronica (VO) Ing. Informatica e Automatica - Ing. delle Telecomunicazioni ANALISI NUMERICA - Primo Parziale - TEMA C (Prof. A.M.Perdon) Ancona, 8 Maggio 004 PARTE II. 1. Determinare la soluzione del seguente sistema lineare: 3x + 5z + 4t = 17 7x + 4y + t = 13 x y + z t = 4 La soluzione dipende da un parametro. Se prendiamo come parametro t, si ottiene: 16.7778 6.8889t 6.1111 + 11.5556t 6.6667 + 3.3333t t. Determinare e disegnare la regione del piano complesso che contiene le radici del seguente polinomio: P (x) = 7x 5 + 4x 4 + 3.6x 3 0.45x + 5.4x + λ = 5.4 7 = 0.74857, µ = 7 complesse, di P (x), è: = 3.5, quindi la regione del piano di Gauss che contiene tutte le radici, reali e 1 = 0. z 1.74857 = 1 + 0.74857 1 + 3.5 1.5 1 0.5-1.5-1 -0.5 0.5 1 1.5-0.5-1 -1.5 Le radici reali di P (x) si trovano nell intersezione della retta reale con il piano di Gauss, cioè in [ 1.74857; 0.] [0.; 1.74857]
3. Usando il metodo di Newton-Raphson, determinare la radice dell equazione nell intervallo [1, 1.5] con 5 decimali esatti. cos(x) = log(x) Punto iniziale: x 0 = 1 + 1.5 = 1.5 e schema iterativo x k+1 = x k f(x k) f (x k ) = x k cos(x k) log(x k ) sin(x k ) 1 x k Stimiamo l errore, calcolando m = f(x) f (x) 1.5 (f (x)) = 0.00978389 = m 1 m = 0.00988056 0.01. x 0 = 1.5 x 1 = 1.30704186 ɛ 0 m 1 m x 1 x 0 = 0.0005704 x = 1.30963995 ɛ 1 m 1 m x x 1 = 0.59809 10 5 Quindi la radice dell equazione in [1, 1.5] con 5 decimali esatti è α 1.3096. Facoltativo: Determinare la frazione generatrice in base 10 del seguente numero periodico: ( 4.5AB ) 16 ( ) ( 45AB 45 4.5AB )16 = = F F 0 16 ( 4 16 3 + 5 16 ) + 10 16 + 11 (4 16 + 5) 15 16 + 15 16 10 = ( ) 17766 = 4080 10 ( 961 680 ) 10
Universita degli Studi di Ancona - Facolta di Ingegneria Laurea in Ing. Elettronica (VO) Ing. Informatica e Automatica - Ing. delle Telecomunicazioni ANALISI NUMERICA - Primo Parziale - TEMA D (Prof. A.M.Perdon) Ancona, 8 Maggio 004 PARTE II. 1. Trovare il valore approssimato, con cinque decimali esatti, della radice dell equazione e (x 1) x + 4 = 0. 4-3 - -1 1 - -4 Utilizziamo Newton-Raphson, con punto iniziale x 0 =. e schema iterativo Stimiamo l errore, calcolando: m = x k+1 = x k f(x k) f (x k ) = x k e(xk 1) x k + 4 e (x k 1) x k. f(x) f (x) = 0.0059017 = m (f (x)) 1 m = 0.00595543 0.006 x 0 = -. x 1 = -.0193749653344 ɛ 0 m 1 m x 1 x 0 = 0.000073765 x = -.0157569537475 ɛ 1 m 1 m x x 1 = 0.170807 10 6 x.016 (5 decimali esatti, come richiesto) o anche x.0158 (6 decimali esatti, visto che li abbiamo).. Determinare lo spazio delle soluzioni del sistema omogeneo x 1 + x + 3x 3 + 4x 4 = 0 x 1 + 6x + 4x 3 + 8x 4 = 0 x 1 + x + 4x 3 + 4x 4 = 0 x x 3 = 0 5x 3 4x 4 5 4 V = x 3 x 3 x 3, x 4 R = x 3 1 1 + x 0 4 0 x 4 0 1
3. Determinare x ed y in modo che sia verificata la seguente uguaglianza: (4) 6 (51) 6 = (x) 10 = (y) 4 4 (5 6 + 1 6 + ) = 4 188 = 75 = x = 75 (75) 10 = (3300) 4 = y = 3300 Facoltativo: Determinare a + b eseguendo la somma in base 10 con mantissa normalizzata di 4 cifre con a = 1.67893 e b = 6.010134. a = 1.67893 = 0.167893 10 0.1679 10 b = 6.010134 = 0.6010134 10 0.601 10 a + b = 0.1679 10 + 0.601 10 = 0.01679 10 + 0.601 10 = 0.7689 10 0.769 10 = 7.69