Metody Numeryczne w Mechanice - Ćwiczenia laboratoryjne (M.Pyrz) Obliczanie wartości i wektorów własnych 1. Programowanie
Napisać skrypt w Scilabie umożliwiający wyznaczenie wartości własnej danej macierzy rzędu n za pomocą metody potęgowej. Poszukiwana będzie wartość własna o największym module (oraz odpowiadający jej wektor własny).
Algorytm :
wybrać wektor początkowy x(0) i znormalizować go stosując normę euklidesową (0)
q
=1.
Dla iteracji k = 1, 2, 3, ... , obliczyć następujące wielkości (k)
(k)
(k)
(k-1)
x
= Aq
, ( k)
j
λ = x (k) = x q
.
(k-1)
q
(k)
x
j
Zatrzyma
−
ć iteracje po spełnieniu kryterium stopu ( k )
( k 1)
λ − λ
< ε .
Po kolejnych iteracjach
( )
lim
k
=
x
=
λ
→∞ λ
λ oraz
( )
lim
k
x , gdzie
jest wartością
k
1
k →+∞
1
1
własną o największym module, natomiast x jest wektorem własnym odpowiadającym 1
wartości λ .
1
2. Test i sprawdzenie poprawności Wyznaczyć wartość własną o największym module (i odpowiadający jej wektor własny) dla macierzy A.
2 10 8
0
4
1
1
5
A
= 0 2 8 12
2
1
4
8
Przeprowadzić obliczenia dla dokładności ε =10-1, 10-2, …, 10-6 startując z wektorów x (0) 1
=
[1 0.5 1 0.5]T oraz z x (0) 2
= [0.5 -1 0 0]T i podać liczbę iteracji niezbędnych do uzyskania rozwiązania.
Porównać wynik z rozwiązaniem otrzymanym za pomocą funkcji spec i sformułować wnioski.
1
Metody Numeryczne w Mechanice - Ćwiczenia laboratoryjne (M.Pyrz) 3. Przykład obliczeniowy Rozważamy przedstawiony na rysunku układ mas połączonych sprężynami: x1(t)
x2(t)
x3(t)
k1
k2
k3
m1
m2
m3
x
gdzie x1(t), x2(t) i x3(t) przedstawiają oscylacje poziome(w funkcji czasu t) mas m1, m2 i m3
wokół położenia równowagi, k1, k2 i k3 są sztywnościami sprężyn.
Zakładamy, że x1(t), x2(t) i x3(t) spełniają następujący układ różniczkowych równań ruchu:
k1+ k2
-k2
0 x1(t) m1
0
0 x1' (t)
0
-k2
k2+ k3
− k 3 x2(t) + 0
m2
0
x2 ' (t) = 0
0
k 3
k 3 x3(t)
0
0
m3
−
x3 ' (t) 0
x1″(t), x2″(t) i x3″(t) oznaczają drugie pochodne x1(t) , x2(t) i x3(t) po czasie.
Poszukujemy rozwiązania układu równań różniczkowych czyli funkcji x1(t), x2(t) i x3(t) w postaci: x1(t) = a1 sin(ω t +θ ), x2(t) = a2 sin(ω t +θ ), x3( t) = a3 sin(ω t +θ ) , gdzie a1, a2, a3, ω i θ są stałymi niezależnymi od czasu.
(
k1+ k2)/m1
-k2/m1
0
a) Wykaza
ć, ze ω2 jest wartością własną macierzy
-k2/m2
(k2 + k3)/m2
-k3/m2
0
-k3/m3
k3/m3
b) Przyjmując wartości: k1 = k2 = k3 = m1 = m2 = m3 = 1.
wyznaczyć (stosując metodę potęgową) największą wartość własną podanej macierzy oraz odpowiadający jej wektor własny (kryterium stopu: ( k )
( k
)
1
λ − −
λ
≤ ε = 0.001, wektor
początkowy: (0) = [0.8 −
T
x
1.0
0.4] ).
c) Wyznaczyć wszystkie częstotliwości i postaci drgań korzystając z funkcji spec
d) Korzystając z funkcji spec przeprowadzić obliczenia ω (i postaci drgań) dla układu mas i sprężyn charakteryzowanego przez (wystarczy wybrać jeden dowolny przpadek) i przedstawić schematycznie uzyskane postaci drgań.
i) k1 =3, k2 = 2, k3 =1 et m1 = 1, m2 = 1, m3 = 1, ii) k1 =1, k2 = 1, k3 =1 et m1 = 1, m2 = 2, m3 = 3, iii) k1 =1, k2 = 1, k3 =1 et m1 = 1, m2 = 4, m3 = 1.
2