Numerik
Prüfungsvorbereitung
Prüfungsvorbereitung
-
- 1 / 86
-
Flashcards
Was versteht man unter einem direkten, approximativen oder iterativen Verfahren?
- direkt: falls die Lösung bis auf Rundungsfehler exakt berechnet werden kann
- approximativ: falls die Lösung nur angenähert werden kann
- iterativ: falls die Näherung durch mehrfache Ausführung des Verfahrens verbessert werden kann
Was versteht man unter dem Begriff numerischer Aufwand?
Anzahl der notwendigen Operationen
(Eine elementare Operation ist eine Multiplikation und Addition.)
Numerische Aufwand für Horner-Schema
A(n) = 2n
Wie viel Byte werden zur Abspeicherung eines Polynoms p € Pn in doppelter Genauigkeit benötigt?
- Für doppelt genaue Zahlen: (einfache Genauigkeit 32 Bit)
64 bit = 1 Vorzeichen + 11 Exponent + (52+1) Mantisse - Polynome werden durch die Koeffizienten eindeutig festgelegt: 8 • (n +1) Bytes
Was versteht man unter Auslöschung? Wann tritt diese auf?
Verlust an Genauigkeit bei Subtraktion fast gleich großer Gleitkommazahlen
Was versteht man unter absoluten und relativen Fehler?
x: exakter Wert, x* Näherungswert von x
- absoluter Fehler: Dx = |x* - x|
- relativer Fehler: dx = |Dx| / |x|
Was versteht man unter Kondition eines Problems?
Kondition beschreibt man die Abhängigkeit der Lösung eines Problems von der Störung der Eingangsdaten.
Wann ist ein Problem schlecht konditioniert?
- eine kleine Störung der Eingangsdaten hat große (gravierende) Änderungen der Ergebnisse zur Folge
- | k(x) | >> 1
k(x) sind Konditionszahlen, also der Faktor, um den der Eingangsfehler im ungünstigen Fall verstärkt wird:
Multikplikation ist immer gut konditioniert
Wann Fehlerdämpfung?
Wie berechnet man Konditionszahlen?
k = | (f' / f) * x |
Was versteht man unter Interpolation?
zu diskreten Daten soll eine stetige Funktion gefunden werden, die diese Daten abbildet.
--> Polynom finden, das die Interpolationsbedinung erfüllt
Unterschied Approximation und Interpolation
- Interpolation: Zuordnung eines Elements g€P zur Funktion F durch Fixieren von Funktionswerten (n+1 Stützstellen)
- Approximation: g€P ist als "beste" Dartellung von f zu bestimmen (Gauß-Approximation)
z.B. max | f(x) - g(x) | soll minimal werden für g (Stützstellen müssen nicht zwingend berührt werden)
Formuliere die Lagrange Interpolationsaufgabe
Wie viele Stützstellen benötigt man, um die Lagrange-Interpolationsaufgabe eindeutig zu lösen?
Gibt es auch Fälle in denen man mit weniger Sützstellen auskommt?
n + 1
Wenn alle Punkt auf einer Linie liegen, reichen 2 Sützstellen?
Mit dem Neville-Schema kann die Auswertung von P rekursiv erfolgen:
- direkt auswertbar
- erweiterbar, Hinzunahme einer weiteren Stützstelle ist problemlos
- numerisch stabil
Gut geeignet, wenn ein Interpolationspolynom nur an ganz wenigen Stellen ausgewertet werden soll, dabei ist der Algorithmus weniger anfällig gegen Auslöschung.
(Bei Newton Algorithmus für Auswertung an vielen Stellen, aber Gefahr der Auslöschung bei Bestimmung der dividierten Differenzen, wenn die Stützstellen zu nahe beieinander liegen)
Wie verhält sich das Interpolationspolynom gegenüber lokalen Störungen in einer Stütztstelle xi d.h wie wirkt sich ein Fehler eps im zugehörige Funktionswerten aus, wenn also anstatt (xi, yi) der Punkt (xi, yi + eps) für ein i interpoliert wird?
Lagrange-Interpolation: Störung hat Auswirkung auf alle Lagrange-Poylsnome insbesondere auf das gesamte Interpolationsintervall
Unter welchen Voraussetzungen folgt gleichmäßige Konvergenz des Interpolationspolynoms gegen die Funktion f(x)?
Sind Ableitungen von f beschränkt auf [a,b] so gilt:
max | f(x) - p(x) | ----> 0 für n ----> 0
Meist haben die Ableitungen der zu interpolierenden Funktionen jedoch ein zu starkes Wachstum für n ---> inf so dass gleichmäßige Konvergenz des Approximationsprozesses nicht mehr zu erwarten ist
Gegenbeispiel: 1(1+x2) --> Ableitungen sind nicht beschränkt
Was ist der Unterschied zwischen der Hermite- und Lagrange-Interolationsaufgabe?
Wie gehen die Stützstellen in die Interpolationsfehlerabschätzung?
Die Aufgabenstellung der Lagrange-Interpolation lässt sich verallgemeinern zur Hermite-Interpolation
Lagrange:
- paarweise verschiedene Stützstellen
- die Basisfunktion ist von den Stützstellen unabhängig, dadurch kann man bei bekannter Basisfunktion verschiedene Sätze von Stützwerten schnell interpolieren.
- Nachteil: bei Hinzunahme einer Stützstelle alle Basisvektoren neu berechnet werden müssen
Hermite:
- berücksichtigt zusätzlich zu den Stützstellen auch die Ableitung der zu interpolierenden Funktion
- einzelnen GItterknoten sind mehrfach zugelassen (Vielfachheit wegen Ableitung)
Prinzip der Extrapolation zum Limes (Richardsonsche Extrapolation) ?
Ein numerischer Prozess liefert für jeden Wert eines Parameters h einen Wert a(h)
- gesucht: die nicht direkt berechenbare Größe: a(0) = lim a(h)
- zur Annäherung von a(0) berechnet man a(hi) für gewisse Werte hi und nimmt den Wert p(0) des zugehörigen Interpolationspolynoms als Schätzung von a(0)
Beispiel: Differenzenquotient ist nicht stabil
Diskrete Fourier-Analyse
Ziel: Interpolations periodischer Funktionen
cos(kx) und sin(kx) ~ Grundschwingungsdormen eines 2pi-periodischen Prozesses und duch die DFT werden die Anteile ak, bk dieser Grundschwingungen am Prozess bestimmt
Rechenaufwand O(n2)
Den n+1 Werten yj= f(xj) einer Funktion f:[0,2pi]-->R werden die n+1 Koeffizienten ak, bk des trigonometrischen Interpolationspolynoms zugeordnet. Die Abbildung {yj} --> {ak, bk} heißt DFT uns ist umkehrbar.
Prinzip der FFT (Fast Fourier Transformation)
- Effiziente Berechnung des trigonometrischen Interolationspolynom: Rechenaufwand O(n log(n))
- Das FFT-Verfahren arbeitet am besten für n = 2q (Anzahl der Sützstellen sind eine Zweierpotenz)
- Idee: die Berechnung einer DFT der Größe 2n wird in zwei Berechnungen der DFT der Größe n audgeteilt: in Vektor mit geraden/ungeraden Indizies
--> beide Teilergebnisse nach der Transformationzu einer Fouriertransformation der Größe 2n zusammengefügt - Vorteil: zur Berechnung einer DFT der halben Länge benötigt man nur ein Viertel des Rechenaufwands (Vorschrift ist merhmals anwendbar)
Welche geometrische Eigenschaft erfüllt die Bestapproximation g € S von f?
|| f - g|| = min || f - phi ||
Ein g € S mit dieser Eigenschaft heißt dann Bestapproximation von g (in S bzgl ||•|| )
geometrisch: f-g wird minimal wenn orthogonal: (f - g, phi) = 0 für alle phi € S (Orthogonalitätsbedingung)
Wie lautet die Höldersche Ungleichung?
| (f,g) | <= ||f|| ||g||
Wo sind Normen äquvalent?
Was besagt die allgemeine Gauß-Approximation?
Seien H ein unitärer (orthogonal A*A = 1 mit A ist transponiert und komplex konjugiert) Raum und S c H ein endlich dimensionale Teilraum. Dann existiert zu jedem f € H eine eindeutig bestimmte beste Approximation g € S:
|| f - g|| = min || f - phi ||
Wie kann die Bestapproximation g € S explizit über ein Gleichungsystem berechnet werden, d.h. wie wird dieses Gleichungssystem aufgestellt?
Man erhält bei Grauß Approximation als Gramsche Matrix die sogenannte Hilbert-Matrix, die für größere Werte von n schlecht konditioniert ist
--> mit einer orthogonalen Basis erhält man Legendre-Polynome (nicht normalisiert)
--> man erhät eine Diagonalmatrix, die im Falle normierter Legendre-Polynome die Einheitsmatrix ergibt
(Normiert bzgl Skalarprodukt (-1,1))
Was ist der Gram-Schmidt-Algorithmus?
Er erzeugt zu jedem System linear unabhängiger Vektoren ein Orthogonalsystem