background image

 

ŻELBASTIAN DAMPS                                                     PG GDAOSK 

 

METODY OBLICZENIOWE WYKŁADY SIEMA NARA 

 

Jest to opracowanie wykładów prowadzonych w roku akademickim 2010/2011. Osobiście nie byłem 
na żadnym z nich, a pana Kłosa to zobaczyłem pierwszy raz na zaliczeniu. Notatki pochodzą od moich 
dobrych znajomych (M.F. oraz J.K.), którzy już te wykłady zaliczyli. Chodzili oni na wszystkie wykłady i 
notowali to co należało notowad. Ja natomiast przerzuciłem to teraz do Worda. Jako, że na 
kolokwium obowiązuje nas czysta teoria to nie przepisywałem wzorów czy tam rysunków. Jednakże 
miejsca ich występowania zaznaczyłem kolorem 

czerwonym

 i 

zielonym

. Opracowanie to z pewnością 

pomoże zawęzid materiał do opanowania np. na wykładach nie było nic o Metodzie Monte-Carlo a 
sporo osób pewnie się tego uczyło. Jednakże nie należy poprzestawad wyłącznie na tym opracowaniu 
gdyż  opanowanie go nie gwarantuje 100% zdawalności, gdyż pytania od Pana Kłosa miejscami 
wymagają nieco więcej. Rzeczy, które były nie do rozczytania oznaczyłem kursywą. 

Wykład 1  Macierz sztywności. Macierz podatności. 

06.10.2010 r. 

 
Dyskretyzacja układu - doprowadza do podziału układu ciągłego 
1. Wybór punktów węzłowych, które w sposób jednoznaczny określą podział układu ciągłego na 
elementy 
2. Stan przemieszczeo układu określony za pomocą wektora przemieszczeo węzłowych nazywanego 
przez delta {A} 
3. Stan obciążenia sprowadzamy do obciążeo skupionych w węzłach i wektor tych obciążeo 
oznaczamy przez duże ,R- 
4. Stan deformacji odkształceo układu oraz jego stan naprężeo określony jest także przez wektor 
przemieszczeo przywęzłowych ,D- oraz siły przęsłowe ,s-, które musza spełniad warunki ustalone na 
podstawie pracy wirtualnej 
{



}

T

{R} = {

D}

T

{s} 

Schematy, pierwszy model, drugi model, trzeci model 

Rys1 nadaje się do rozwiązania zagadnienia macierzową metodą przemieszczeo, natomiast 2 i 3 służą 
do rozwiązania zagadnienia macierzową metodą sił.  

Schematy 

Twierdzenie I 
Jeżeli pewne przemieszczenia 

i należące do wektora ,

- są liniowo zależne to znaczy pewne różne 

od 0 przemieszczenie 

 można wyrazid jako kombinację liniową pozostałych przemieszczeo dla 

wszystkich możliwych stanów obciążenia określonych wektorem ,R-, to macierz podatności ,F- jest 
osobliwa, a macierz sztywności *K+ nie istnieje. 
Twierdzenie II 
Jeżeli istnieje przynajmniej jeden różny od 0 wektor ,

- taki, że układ nie podlega odkształceniu to 

znaczy pręty pozostają proste i nie zmieniają długości w zakresie ważności założenia o małych 
przemieszczeniach, to wtedy macierz sztywności *K+ jest osobliwa zaś macierz podatności *F+ nie 
istnieje. 
Twierdzenie III 
Jeżeli wyznacznik z macierzy *F+ jest różny od 0 to  
det*F+ różny od zera => *K+ = *F+

-1 

background image

 

ŻELBASTIAN DAMPS                                                     PG GDAOSK 

 

Jeżeli wyznacznik z macierzy *K+ jest różny od 0 to 
det[K+ różny od zera => *F] = [K]

-1 

Twierdzenie IV 
Jeżeli wyznacznik z macierzy det*K+ jest różny od zera (to znaczy, że istnieje macierz F) to układ jest 
geometrycznie niezmienny. Jest to warunek wystarczający  
Twierdzenie V  
Jeżeli macierz *F+ lub *K+ istnieje to 
[F]=[F]

[K]=[K]

Pierwszy warunek wynika z twierdzenia o wzajemności przemieszczeo. Drugi wynika z twierdzenia o 
wzajemności reakcji. 
Twierdzenie VI 
Macierze *F+ i *K+ występują w formach kwadratowych energii potencjalnej odkształcenia 
sprężystego, które możemy wyliczyd jako Vp = 1/2 ,

}

T

[K]{

} = 1/2 {R}

T

[F]{R} 

Jeżeli układ jest geometrycznie niezmienny to Vp>0 dla dowolnego ,

- różnego od ,0- a z tego 

wynika, że macierze *K+ i *F+ są dodatnio określone. 
Uwaga I  
Dla jednego układu możliwe jest zdefiniowanie kilku różnych wektorów ,

-. Odpowiadające im 

macierze sztywności i podatności są wtedy też różne. 
Uwaga II 
Jeśli układ obciążyd siła Pj=1 zakładając, że siła Pj należy do wektora *R+ to odpowiadający temu 
stanowi wektor przemieszczeo jest "j-tą" kolumną macierzy podatności. 
Uwaga III 
Jeżeli na wszystkie przemieszczenia 

i z wektora {

- nałożyd więzy i "j" wiąz przenieśd o 

j=1 to 

odpowiadające temu stanowi reakcje we wprowadzonych więzach stanowią "j-tą" kolumnę macierzy 
sztywności *K+ 
Zad.1 Wyznaczyd macierz sztywności i podatności układu oraz sprawdzid związek *K+**F+=*J+(macierz 
jednostkowa) 

WZORY

 

schematy 

 

Wykład 2  20.10.2010 r. 
 

Schematy,  macierze 

dla pręta kratownicowego . (macierz sztywności zawiera elementy EA/L i -EA/L) 

Schematy,  macierze 

dla pręta skręcanego . (macierz sztywności zawiera elementy GI

s

/L i -GI

s

/L) 

macierz elementu belkowego 

wszystkie macierze sztywności mają jedną wspólną cechę: det = 0

 

Macierz sztywności dowolnego elementu prętowego, której nie uwzględniono warunków 
brzegowych jest macierzą osobliwą 

Schematy, 

WZORY 

w konstrukcji będzie przegub wewnętrzny to jest problem 

Proces kondensacji macierzy sztywności  

Schematy,  macierze dużo 

Modyfikacja macierzy sztywności. Przez to uwzględniamy warunek brzegowy. W procesie modyfikacji 
również rozpatrujemy równanie jak poprzednio 

macierze 

Modyfikacja polega na usunięciu wierszy lub kolumn dotyczących tych stopni swobody w których 
przemieszczenia są równe 0 . Jeżeli w wyniku modyfikacji utworzymy pręt, który jest statycznie 

background image

 

ŻELBASTIAN DAMPS                                                     PG GDAOSK 

 

wyznaczalny lub statycznie niewyznaczalny to jego macierz sztywności przestaje byd macierzą 
osobliwą 
 
Nowy układ x,y,z (układ lokalny pręta) 
u, v, w - translacja 
układ X, Y, Z 
u, v, w (z daszkami u góry) - translacja 

WZORY macierz transformacyjna jest macierzą ortogonalną *T+   *T+

T

 = [T]

-1 

[C] - też jest macierzą ortogonalną

 

macierze dużo 

Algorytm metody przemieszczeo (alokacja)

 

Sposób I 
1. Należy zdyskretyzowad układ definiując wektory przemieszczeo węzłowych oraz zdefiniowad 
wektory {

} {D} {R} {S} 

2. Należy zbudowad macierz alokacji *A+ (ustalid zależności między ,D- i ,

}), macierz sztywności *K

A

(zdefin. macierz sztywności dla każdego pręta) oraz wektora ,S0-, którym definiujemy jakie są 
wartości sił przywęzłowych od obciążeo przęsłowych dla każdego pręta. 
3. Obliczyd globalną macierz sztywności *K+=*A+

* [Ka]*[A] => {R} = [K]*{D}+{R

0

4. Obliczamy wektor ,P- dodając do siebie wektor sił działających na węzły ,R} oraz wektor {R

0

{R

0

} = [A]

* {s

0

5. Wyznaczamy wektor przemieszczeo ,

6. Wyznaczamy wektory przemieszczeo przywęzłowych prętów 
7. Wyliczamy wielkości sił przywęzłowych S wg tej zależności 
{S} = [K

A

}{D}+{s

0

 
Sposób II 
1. Definiujemy wektor przemieszczeo węzłowych ,

- oraz wektor sił węzłowych ,R-, ale w ten sposób, 

że ustalamy pewną kolejnośd składowych w tym zadaniu. 
2. Budujemy wektor sił przywęzłowych od obciążeo przęsłowych oraz macierze sztywności dla 
poszczególnych prętów. Na tym etapie dokonujemy kondensacji przegubów wewnętrznych. 
3. Dokonujemy transformacji w macierzy sztywności i wektorów sił przywęzłowych do tego układu 
współrzędnych, w którym były zbudowane wektory ,

- i ,R- dla przemieszczeo sił węzłowych 

4. Dzielimy wektory sił przywęzłowych, macierze sztywności na bloki związane ze stopniami swobody 
poszczególnych węzłów 
5. Budujemy macierz sztywności *K+, umieszczając poszczególne bloki macierzy sztywności prętów w 
odpowiednich miejscach globalnej macierzy sztywności, w razie konieczności, kiedy bloki nakładają 
się na siebie to dodajemy je do siebie. W podobny sposób składamy wektor sił węzłowych od 
obciążeo przęsłowych. Ten proces nazywamy procesem agregacji i prowadzi on do otrzymania 
globalnej macierzy sztywności  *K+ i globalnego wektora sił węzłowych ,P- 
6. Uwzględniamy warunki podporowe, wykonując modyfikacji układu równao ,K-,

} = {P} 

7. Wyznaczamy wektor przemieszczeo ,

- a następnie wektory przemieszczeo przywęzłowych, sił 

przywęzłowych, reakcji. 
 

 

background image

 

ŻELBASTIAN DAMPS                                                     PG GDAOSK 

 

 

Wykład 3 Metoda elementów skończonych  3.11.2010 r. 

 
Nie jest to metoda dokładna, a przybliżona, wyniki są przybliżone i trzeba je sprawdzid. Wyniki są 
dokładne dla elementów prętowych. Metoda polega na podziale (kontinuum) na części i ich 
rozpatrywanie. 
Elementy są połączone w węzłach,  ale nie są połączone w sposób ciągły 

Dyskretyzacja - 5 etapów rozwiązania  
I - Kontinuum zostaje podzielone w myśli liniami, na pewną liczbę elementów skooczonych 
II - Zakłada się, że elementy te są połączone ze sobą w skooczonej liczbie punktów znajdujących się 
na ich obwodach, punkty te nazywamy węzłami, a ich przemieszczenia stanowid będą podstawowy 
układ niewiadomych 
III - Zostaje dobrana funkcja określająca jednoznacznie stan przemieszczeo wewnątrz każdego 
elementu skooczonego w zależności od przemieszczeo punktów węzłowych 
IV - Funkcje przemieszczeo (funkcje kształtu) definiują jednoznacznie stan odkształcenia wewnątrz 
elementów, zależności od przemieszczeo węzłów. Odkształcenia te wspólnie z odkształceniami 
początkowymi i własnościami sprężystymi materiału określają stan naprężeo w elemencie, w tym 
także na jego brzegach. 
V - Zostaje określony układ sił skupionych w węzłach równoważących napięcia na brzegach 
elementów oraz wszystkie inne siły. Otrzymuje się związek w postaci 
*K+ (macierz sztywności) * ,q(z daszkiem)- (wektor przemieszczeo węzłowych) = ,R- (wektor sił 
węzłowych) 

Z którego można wyznaczyd wektor przemieszczeo węzłowych ,q-, a w konsekwencji także wektory 
przemieszczeo ,

} w elemencie 

{R} => {q(z daszkiem)} => {

,f-(wektor przemieszczeo wewnątrz elementu skooczonego) = *N+(macierz funkcji kształtu),q-(wektor 
przemieszczeo węzłowych)

 

WZORY 
*D+(macierz sprężystości lub konstytutywna) 
[

0

] macierz przemieszczenia - odkształcenia 

{

0

- wektor odkształceo początkowych 

{

0

- wektor naprężeo początkowych 

{F- wektor sił węzłowych 
{P- wektor sił masowych  = {X Y Z}

T

 siły związane z ciężarem własnym elementu 

Równanie pracy wirtualnej WZORY ,R- - wektor sił węzlowych 

 

1. Funkcja kształtu musi byd dobrana tak, aby nie pozwoliła na wytworzenie się stanu napięcia w 
elemencie jeżeli przemieszczenia węzłów powodują jedynie ruch elementu jako ciała sztywnego. 
2. Funkcja kształtu musi byd dobrana tak, aby przy zgodności przemieszczeo węzłów z warunkiem 
stałych odkształceo można było te stałe odkształcenia otrzymad 
3. Funkcje kształtu muszą byd dobrane tak aby odkształcenia na granicach między sąsiednimi 
elementami były skooczone (chociaż mogą nie byd określone) 

background image

 

ŻELBASTIAN DAMPS                                                     PG GDAOSK 

 

 

WZORY 

u, v -przemieszczenie na x i na y 

WZORY 

Dla każdego punktu jest takie samo odkształcenie. Wymaga to bardzo gęstej siatki elementów 
skooczonych, żeby wyniki nie były zgubne, tylko w miarę dokładne. 
 
PSN  

{

0

} ={





t 0}

T

 

 - współczynnik rozszerzalności termicznej 

t - przyrost temperatury,  

PSO ( konstrukcje długie np. tamy, zakładamy nieskooczoną grubośd, wycinamy myślowo pasek 1 m ) 

{

0

} =(1+

){





t 0}

 - współczynnik Poissona 

 
inne są równania konstytutywne dla PSO i PSN .  
Materiał izotropowy -> stal, beton. 
 
PSN izotropia 

WZORY 

PSO izotropia

 WZORY 

PSN ortotropowo

 WZORY 

PSO ortotropowo

 WZORY 

 
e1, e2, v1, v2 - moduły Younga i Poissona na 1 i 2 kierunku ortotropii 
 
Dla elementu w PSN i PSO trójkątnego z 3 węzłami naprężenia w każdym punkcie elementu są stałe  

WZORY 
Zastępuje się całkowanie algebraiczne, całkowaniem numerycznym WZORY 

Siły masowe dzielą się równomiernie na wszystkie węzły tego elementu 

Wykład 4 Metoda elementów skończonych. Całkowanie równań ruchu metodami 
numerycznymi 24.11.2010 r. 

 
Do modelowania używamy Generatorów, które same modelują siatki 
RYSUNEK JAKIŚ . (tama z betonu, grunt, warunki brzegowe, siatka zagęszczona ta m gdzie jest więcej 
naprężeo) 
Płyta - siły działają prostopadle  
Tarcza - siły działają w płaszczyźnie tarczy 
Zasadą budowania siatki jest aby stosunek najkrótszego do najdłuższego boku nie był większy niż 3.  
 
Przykład z obrazkiem  3 elementy - ŹLE  
I i II te dwa elementy mają wspólny węzeł ale nie łączą się z węzłem III elementu 
 
Tarcza ma dwie osie symetrii poziomą i pionową. Siatka również musi byd symetryczna względem osi 
x i y (poziomej i pionowej) 
Gdy zagadnienie posiada osie symetrii, to siatka też musi zachowad warunek symetrii 

background image

 

ŻELBASTIAN DAMPS                                                     PG GDAOSK 

 

 
Warunek zagęszczenia siatek - Siatki należy zagęszczad w miejscach gdzie naprężenia dążą do 
nieskooczoności , np. punkty przyłożenia sił skupionych 
Punkty gdzie występują pojedyncze podpory też należy zagęszczad siatkę  
 
Jak ocenid czy wyniki otrzymane metodą elementów skooczonych są poprawne ? 
I Metoda - Zmiana elementu skooczonego 
II Metoda - Porównywanie wyników z siatki z siatką dwa razy gęstszą i porównad te wyniki (2 lub 
więcej razy gęstszą). Jeżeli wynik nie różni się więcej jak 5% to jest ok 

RYSUNKI > Zbyt duża różnica przemieszczeo , trzeba zagęścid siatkę 

Natomiast, jeżeli porównujemy siatki, które są jeszcze bardziej zagęszczone, a błąd się nie zmniejsza 
tylko zwiększa, to mamy ewidentnie źle wybrany punkt lub metodą porównywania elementów. 
 
Całkowanie równao ruchu metodami numerycznymi 

M - macierz mas 
C - macierz tłumienia 
K - macierz sztywności 
q'' - wektor przyspieszenia 
q' - wektor prędkości 
 
Układ równao macierzowych drugiego rzędu równanie ruchu 

WZORY 

Zamiana układu II rzędu na I rzędu powoduje zwiększanie rozmiaru zadania dwukrotnie (jak III rzędu 
na I to trzykrtonie)  
 
a) I grupa rozwiązania równao ruchu analiza modalna 
b) II grupa sposobem wprost 

Ad. a) Konieczne jest ... problem własnego i pochyla się do częstości drgao własnych. Następnie 
można dokonad odpowiedniej transformacji do której potrzebne są częstości i częstości drgania 
własne. Układ stanie się układem rozprężonym (każde równanie różniczkowe będzie można 
rozwiązad osobno). Skuteczne są algebraiczne rozwiązania albo .... 
 
Mając rozwiązane wektory własne tworzy się kombinacje liniową tych wektorów własnych, które jest 
rozw. problemem. 

Ad b). WPROST  
Jawne    

 

 

 

 

metody niejawne 

- metoda różnic centralnych 

 

 

-Wilsona 

- metoda punktu środkowego   

 

- Huberta 

- metoda Rungego Kulty 

 

 

- Newmarka 

Polegają na rekurencyjnym sposobie poszukiwania rozwiązania w odróżnieniu od metod które dają 
rozwiązanie do NIEWYRAZNE 

background image

 

ŻELBASTIAN DAMPS                                                     PG GDAOSK 

 

cośtam ruchu - poszukiwanie rozwiązania dla kolejnych kroków czasowych przy czym rozwiązanie 
kroku kolejnego rozwiązuje się z wartości uzyskanych dla kroku poprzedniego (1 lub więcej) 
 
Metoda różnic centralnych 
równanie ruchu 

WZORY 

Metoda różnic centralnych WZORY 

Spisanie równao ruchu i chwili t np. Obejmują okres od chwili t-

t do chwili t+

t, na tej podstawie 

rozwiązuje się prędkośd i przyspieszenie  

WZORY 

Procedura startowa:  

WZORY równanie ruchu jednostajnie przyspieszonego 

Żeby rozpocząd liczenie metodą różnic centralnych trzeba rozpocząd procedurę startową ( stosuje się 
ją w celu obliczenia pierwszej chwili czasowej wielkości przemieszczeo) 
Wada: Jest to metoda warunkowo - stabilna. Oznacza, że rozwiązanie układu równao różniczkowych 
w dostatecznie dokładny sposób aproksymuje rozwiązanie rzeczywiste, tylko i wyłącznie przy 
zastosowaniu odpowiednio małego kroku 

t. Jeżeli 

t > 

t

krytyczne

 to wtedy rozwiązanie bardzo szybko 

robi się rozbieżne. Przy czym rozbieżnośd ta ma charakter...  
Wielkośd 

t

krytyczne 

jest związane z t

(najmniejszy okresem drgao własnych). 

 
Algorytm metod różnic centralnych 
Kroki początkowe: 
1. Obliczenie [K] [M] [C] 
2. Początkowe wartości ,q

0

} {q*

0

} {R

t

3. Dobór kroku całkowania 

WZORY 

Jeżeli obliczenia przeprowadzamy metodą różnic centralnych ustalmy wielkośd kroku całkowania 
4. Procedura startowa 

WZORY 

5. Efektywna macierz mas 

WZORY [S] 

6. Odwrócenie efektywnej macierzy mas 

[S] => [S]

-1

 

 
Kroki powtarzane w pętli (rekurencyjne)  
1. efektywny wektor obciążeo 

WZORY" 

2. Przemieszczenie 

WZORY 

3. Jeśli trzeba 

WZORY 

4. Przejście do następnego kroku 
 
Metoda Newmarka - niejawna bo 

WZORY 

Równanie w chwili t+

WZORY 

Warunek bezwzględnej stabilności 

WZORY 

 większe równe od 0,5 

 większe równe od 0,25(0,5+

)

2

 

to algorytm Newmarka jest bezwarunkowo stabilny 
Przy długim kroku całkowania rozwiązanie może byd niedokładne ale na pewno nie będzie rozbieżne  

 = 0,5, a 

 = 0,25

 

 
Algorytm metody Newmarka 

background image

 

ŻELBASTIAN DAMPS                                                     PG GDAOSK 

 

Kroki początkowe 
1. Obliczenie [K] [M] [C] 
2. Początkowe wartości  ,q

0

} {q*

0

} {R

t

WZORY 

3. Przyjęcie 

 i 

 oraz krok czasowy 

4. Efektywna macierz sztywności *S+ 
5. Odwrócenie efektywnej macierzy sztywności 
 
Kroki powtarzane w pętli (rekurencyjne)  
1. efektywny wektor obciążeo 

WZORY 

2. Przemieszczenie 

WZORY 

3. Przyspieszenie i prędkośd 

WZORY 

4. Przejście do następnego kroku t=t+

Metody jawne stają się bardziej efektywne od metod niejawnych w momencie gdy długośd kroku 
całkowania (

t) jest ograniczona przez jakieś inne czynniki np. przez nieliniowośd materiałową w 

związkach reologicznych. Wtedy m. niejawne długi krok całkowania, a prosty .... że stają się one 
bardziej efektywne 
 
 
Metoda Newmarka - jest bardziej dokładna, wykres jest właściwy dla wielu wartości całkowania, a 
wartości minimalne i maksymalne są cały czas. 
 
 

Wykład 5 Metody rozwiązywania układów równań liniowych   01.12.2010 r. 

Układy równao liniowych 
a

11

*x

1

 + a

12

*x

2

 + ... + a

1n

*x

n

 = y

1

 

a

21

*x

1

 + a

22

*x

2

 + ... + a

2n

*x

n

 = y

 

 

 ... 

a

n1

*x

1

 + a

n2

*x

2

 + ... + a

nn

*x

n

 = y

n

   

 

[A]* {X} = {Y} 

 
Metody dokładne: 
- eliminacyjne - Gaussa , Jordana 
- dekompozycyjne - Gaussa-Duitla , Gaussa - Krauta, Cholewskiego 
 
Metody przybliżone: 
- iteracji prostej Gaussa 
- Metoda Gaussa-Seitla 
- Metoda nadrelaksacji 
 

WZORY Macierz współczynników z macierzy pełnej ma się stad macierzą trójkątną (lub diagonalną) 
WZORY, etap I (przekształcenia) , etap II (przekształcenia), etap III (rekursji) 
 

background image

 

ŻELBASTIAN DAMPS                                                     PG GDAOSK 

 

1. Metoda Eliminacji Gaussa (Metoda dokładna eliminacyjna) 
a

i

 

, n+1

 = y

i

  i=1,2,..., n 

Rekursja: 

WZORY 

Eliminacja:

 WZORY 

 
2. Metoda Jordana 
a

i

 

, n+1

 = y

i

  i=1,2,..., n 

Eliminacja: 

WZORY 

Rekursja - brak, 
 

macierz diagonalna

 

WZORY 

Metodą Jordana można odwracad macierze 
 
UWAGA: 
Tw.1 Może się zdarzyd, że dla macierzy współczynników wyznacznik jest różny od 0 (detA różny od 0) 
Któryś z dzielników a

kk

(k-1)

 = 0 

Wówczas należy przestawid wiersze macierzy współczynników tak, aby na głównej przekątnej 
eliminowanego równania uzyskad element a

kk

(k-1)

 różny od 0 

Tw. 2 Jeżeli wyznacznik z macierzy współczynników detA = 0 to zamiana wierszy nie usunie dzielenia 
przez 0 
Tw. 3 Dzielniki a

kk

(k-1)

 można zapisad na głównej przekątnej macierzy A (a

kk

(k-1)

= d

k

) w miejsce zawsze 

znajdujących się tam jedynek. Można wtedy w łatwy sposób wyznaczyd wyznacznik z macierzy A| 

 = 1 (liczba przestawieo wierszy jest parzysta) , 

 = -1 (liczba przestawieo wierszy jest nieparzysta)  

detA = 

 (Jakiś pojebany znaczek z n i k=1) d

k

 

Tw. 4 Jeżeli macierz współczynników jest dodatnio określona 

WZORY 

to wszystkie dzielniki dk będą 

większe od zera i otrzymujemy algorytm bez przestawieo 
 
Tw. 5 Liczba operacji arytmetycznych w metodzie Eliminacji Gaussa jest rzędu n

 3

 gdzie n jest 

rozmiarem zadanym 

Tw. 6 Odmianą metody eliminacji Gaussa jest wariant z wyborem elementu głównego. Polega on na 
tym, że przed przystąpieniem do eliminacji i-tego równania dokonujemy zamiany wierszy i kolumn 
dolnej podmacierzy tak aby uzyskad maksymalny element na głównej przekątnej, odpowiada to 
zmianie numeracji niewiadomych i zamianie wierszy.  

1. Metoda Gaussa - Dolittle'a . (Dekompozycjne , metoda dokładna) 
Eliminacja: 

WZORY 

Rekursje: 

WZORY 

Na etapie eliminacji nie przekształca się wektora prawych stron 
Tw. Każdą nieosobliwą macierz kwadratową *A+ o wymiarach nxn można rozłożyd na iloczyn dwóch 
macierzy trójkątnych jeżeli wszystkie główne minory macierzy *A+ są różne od 0 . Rozkładu można 
dokonad na n sposobów obierając dowolnie n-elementów , z głównej przekątnej macierzy *L+ lub *U+ 
Od sposobu doboru elementu zależy sposób rozwiązywania ukladu 
 
2. Metoda Gaussa - Crouta 
Eliminacja: 

WZORY 

Rekursje: 

WZORY 

background image

 

ŻELBASTIAN DAMPS                                                     PG GDAOSK 

 

 

3. Metoda Cholewskiego 
Eliminacja: 

WZORY 

Macierz *A+ jest symetryczna i dodatnio określona. Wtedy stosujemy metodą Cholewskiego 
Rekursje: 

WZORY 

METODY PRZYBLIŻONE: 
1. Metoda Iteracyjna Gaussa 

WZORY 

Zakładamy wstępnie pewne wartości zmiennych od x1 do xn. Wartości tych zmiennych założonych 
ustawiamy po prawej stronie układu równao i wyznaczamy nowe wartości układu równao od x1' do 
xn'. Następnie nowe wartości ustawiamy po stronie prawej i ponownie wyznaczamy wartości po 
lewej stronie, proces ten kontynuujemy, aż różnice między wartościami po lewej i prawej stronie 
będą małe.  

Wadą jest to, że nasz proces obliczania wartości może okazad się rozbieżnym lub słabo zbieżnym. 
Rozbieżnośd w znacznej mierze zależy od sposobu przyjęcia początkowych wartości niewiadomych. 
Dlatego też wprowadzono modyfikację tej metody pod nazwą 
 
2. Gaussa-  Seitla  
Układ costam przekształca tak jak w metodzie Gaussa ale wydzielcostam 

WZORY 

Zaletą Gaussa-Seitla jest to, że jeżeli macierz współczynników *A+ jest symetryczna i dodatnio 
określona to proces iteracyjny jest zawsze zbieżny. 
 
3. Metoda nadrelaksacji 

WZORY 

do wyznaczenia przyrostów w równaniach następnych używamy już nowych wartości zmiennych 
wyznaczonych z przyrostów z równao poprzednich  
0<w<2  zwykle 1,2<w<1,45  w- współczynnik nadrelaksacji 

WZORY 

Jeżeli macierz współczynników A jest macierzą symetrycznie i dodatnio określoną to metoda 
nadrelaksacji jest zbieżna, gdy wartośd współczynników nadrelaksacji 0<w<2 . Zazwyczaj przyjmuje 
się wartości 1,2<w<1,45 . Jeżeli w=1 to metoda nadrelaksacji zmienia się w metodą Gaussa-Seitla. 

Wykład 6   Interpolacja i Aproksymacja  

22.12.2010 r. 

 

Interpolacja: 
- kilka funkcji przybliżających 
- funkcje przechodząca przez wszystkie punkty pomiarowe 
- niewielka liczba punktów pomiarowych 

Aproksymacja: 
- jedna funkcja przybliżająca 
- funkcja przechodzi tak aby błąd przybliżonych punktów pomiarowych był jak najmniejszy 

background image

 

ŻELBASTIAN DAMPS                                                     PG GDAOSK 

 

- znaczna liczba punktów pomiarowych 
 

Interpolacja liniowa 

WZORY

, kwadratowa 

WZORY

, interpolacja wielomianu dowolnego stopnia n 

WZORY

 

Metoda kolokacji - niech wartości funkcji y

1

, y

2

, ..., y

n

 będą dane w punktach x

1

,x

2

,...,x

n

 . Szukamy 

funkcji y=f(x) w postaci kombinacji liniowej y=a

1

f

1

(x) + a

2

f

2

(x) +...+a

n

f

n

(x) 

funkcje f(x) są z góry założone 
Kolokacja wielomianowa 

WZORY

 

Kolokacja szeregami Czebyszewa - 

WZORY

  wzór rekurencyjny 

WZORY

 

Kolokacja szeregami Fouviera - 

WZORY

  powstaje układ rozwiązao ze względu na parametry a

i

 

Dla funkcji wielu zmiennych 

WZORY 

Aproksymacja - sposoby aproksymacji ze względu na sposób liczenia 
y = a

0

 +a

1

x + e   =>   e = y - a

0

 - a

1

Minimum sumy błędów 

WZORY 

Minimum sumy wartości bezwzględnych błędów 

WZORY 

Kryterium "min max" - minimum największego błędu 

WZORY 

Minimum sumy kwadratów - metoda najmniejszych kwadratów 

WZORY 

Metoda najmniejszych kwadratów - opis ogólny 
Wartości funkcji y

1

, y

2

, ..., y

n

 dane w punktach x

1

,x

2

,...,x

Szukamy funkcji jako kombinacji liniowej pewnych funkcji 

WZORY Różnica l << n, Błąd i-tego 

równania, współczynnik ai dobieramy tak aby błąd był najmniejszy. Powstaje układ L równao z L 
niewiadomymi. Kontrola błędu - wariancja, odchylenie standardowe  

Metoda najmniejszych kwadratów (regresja lub aproksymacja liniowa) 

WZORY Rozwiązanie , wartośd 

średnia i kwadrat odchyleo, odchylenie standardowe i wariancja, współczynnik wariancji, 
standardowy błąd przybliżenia (S

y/x

), współczynnik determinacji (v

2

), współczynnik korelacji (r). 

Rozwiązanie poprawne gdy S

y/x 

< S

y