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Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa Me´todos Diretos Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Campus Francisco Beltra˜o Disciplina: Ca´lculo Nume´rico Professor: Jonas Joacir Radtke Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Ca´lculo Nume´rico Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa Um problema de grande interesse pra´tico que aparece, por exemplo, em ca´lculo de estruturas e redes ele´tricas e soluc¸a˜o de equac¸o˜es diferenciais, e´ o da resoluc¸a˜o nume´rica de um sistema linear Sn de n equac¸o˜es com n inco´gnitas: Sn = a11x1 + a12x2 + . . . + a1nxn = b1 a21x1 + a22x2 + . . . + a2nxn = b2 ... ... . . . ... ... an1x1 + an2x2 + . . . + annxn = bn Sob a forma matricial Sn pode ser escrito como A~x = ~b onde A e´ uma matriz quadrada de ordem n, ~x e ~b sa˜o vetores com n componentes. Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Ca´lculo Nume´rico Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa O componete aij da matriz A e´ chamado de coeficiente da inco´gnita xj e os bi sao˜ chamados de termos independentes. A matriz A e´ chamada matriz dos coeficientes e a matriz: B = a11 a12 . . . a1n b1 a21 a22 . . . a2n b2 ... ... . . . ... ... an1 an2 . . . ann bn = [A : ~b] e´ chamada de matriz aumentada ou matriz completa do sistema. Chamaremos de ~x∗ o vetor soluc¸a˜o e de x , uma soluc¸a˜o aproximada do sistema linear Sn. Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Ca´lculo Nume´rico Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa Classificac¸a˜o Quanto ao Nu´mero de Soluc¸o˜es Teorema (i) Um sistema de n equac¸o˜es e n inco´gnitas admite soluc¸a˜o se, e somente se o posto da matriz ampliada e´ igual ao posto da matriz dos coeficientes. (ii) Se as duas matrizes teˆm o mesmo posto p e p = n, a soluc¸a˜o sera´ u´nica. (iii) Se as duas matrizes teˆm o mesmo posto p e p < n, podemos escolher n− p inco´gnitas, e as outras p inco´gnitas sera˜o dadas em func¸a˜o destas. No caso (iii) dizemos que o grau de liberdade e´ n − p. Denotamos por pa o posto da matriz ampliada e pc o posto da matriz dos coeficientes. Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Ca´lculo Nume´rico Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa Aplicac¸a˜o na Engenharia Problema Uma placa quadrada de material homogeˆneo e´ mantida com a borda AB a temperatura de 10oC , a borda BC a 20oC , a borda CD a 30oC e a borda AD a 40oC , conforme ilustrado na figura abaixo. Apo´s atingido o equilibrio te´rmico, qual sera´ a temperatura aproximada em cada ponto da placa? Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Ca´lculo Nume´rico Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa Soluc¸a˜o: Intuitivamente podemos supor que a temperatura de um dado ponto da placa, apo´s o equilibrio te´rmico, sera´ dada pela me´dia das temperaturas dos pontos vizinhos. Logo podemos escrever que T22 = T12 + T23 + T32 + T21 4 = 1 4 (T23 + T32 + 50) T23 = T13 + T24 + T33 + T22 4 = 1 4 (T33 + T22 + 30) T32 = T22 + T33 + T42 + T31 4 = 1 4 (T22 + T33 + 70) T33 = T23 + T34 + T43 + T32 4 = 1 4 (T23 + T32 + 50) Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Ca´lculo Nume´rico Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa Reescrevendo as equac¸o˜es anteriores temos o seguinte sistema alge´brico linear 4T22 − T23 − T32 + 0T33 = 50 −T22 + 4T23 + 0T32 − T33 = 30 −T22 + 0T23 + 4T32 − T33 = 70 0T22 − T23 − T32 + 4T33 = 50 cuja a matriz ampliada e´ dada por 4 −1 −1 0 50 −1 4 0 −1 30 −1 0 4 −1 70 0 −1 −1 4 50 Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Ca´lculo Nume´rico Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa Sistemas Triangulares Seja um sistema de equac¸o˜es alge´bricas dado por A~x = ~b onde a matriz A = (aij) e´ triangular superior, ou seja, ai ,j = 0 se j < i , j = 1,2, ..., n, que na forma expandida fornece a11x1 + a12x2 + . . . + a1nxn = b1 a22x2 + . . . + a2nxn = b2 . . . ... ... annxn = bn ou onde a matriz A = (aij) e´ triangular inferior, ou seja, aij = 0 se j > i , j = 1,2, ..., n, que na forma expandida fornece a11x1 = b1 a21x1 + a22x2 = b2 ... ... . . . ... an1x1 + an2x2 + . . . + annxn = bn Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Ca´lculo Nume´rico Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa Observe que os sistemas triangulares determinados, isto e´, quando aii , i = 1, 2, ..., n, sa˜o facilmente resolvidos por substituic¸a˜o retroativa ou progressiva. Algoritmo Seja a matriz A triangular superior de ordem n: (1) xn = bn ann (2) i = n − 1 (3) xi = bi − n∑ j=i+1 aijxj aii (4) i = i − 1 (5) Se i ≥ 1, voltar ao passo (3) (6) FIM Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Ca´lculo Nume´rico Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa Algoritmo Seja a matriz A triangular inferior de ordem n: (1) x1 = b1 a11 (2) i = 2 (3) xi = bi − i−1∑ j=1 aijxj aii (4) i = i + 1 (5) Se i ≤ n, voltar ao passo (3) (6) FIM Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Ca´lculo Nume´rico Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa Exemplo Determinar o vetor soluc¸a˜o do seguinte sistema linear: x1 = 1 2x1 + 5x2 = 2 3x1 + 6x2 + 4x3 = 3 Exerc´ıcio 1 Determinar o vetor soluc¸a˜o dos seguintes sistemas lineares: (a) x1 − 3x2 + x3 = 6 4x2 − x3 = 5 x3 = 4 (b) x1 = 1 x1 + x2 = −1 x1 + x2 + x3 = 3 x1 + x2 + x3 + x4 = 3 Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Ca´lculo Nume´rico Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa Exerc´ıcio 2 Implementar um programa computacional para a resoluc¸a˜o de um sistema linear triangular superior. Como dados de entrada devera˜o ser fornecidos a dimensa˜o da matriz, os valores dos coeficientes e os valores dos termos independentes. Os me´todos nume´ricos para resoluc¸a˜o de um sistema linear podem ser divididos em dois grupos: Me´todos Diretos: sa˜o aqueles que, a menos de erros de arredondamento, fornecem a soluc¸a˜o exata do sistema linear, caso ela exista, apo´s um nu´mero finito de operac¸o˜es. Me´todos Iterativos: geram uma sequeˆncia de vetores {~x (k)}, a partir de uma aproximac¸a˜o inicial ~x (0). Sob certas condic¸o˜es esta sequeˆncia converge para a soluc¸a˜o ~x∗, caso ela exista. Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Ca´lculo Nume´rico Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa Definic¸a˜o Denomina-se transformac¸o˜es elementares a`s seguintes operac¸o˜es sobre as equac¸o˜es de um sistema linear: (a) Trocar a ordem de duas equac¸o˜es do sistema. (b) Multiplicar uma equac¸a˜o do sistema por uma constante na˜o nula. (c) Adicionar um mu´ltiplo de uma equac¸a˜o a uma outra equac¸a˜o. Obs.: Qualquer conjunto de transformac¸o˜es elementares pode ser aplicado a um sistema de equac¸o˜es lineares sem alterar o conjunto soluc¸a˜o do mesmo. Definic¸a˜o Dois sitemas S1 e S2 sera˜o equivalentes se S2 puder ser obtido de S1 atrave´s de transformac¸o˜es elementares. Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Ca´lculo Nume´rico Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss O Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss, ou simplesmente Me´todo de Gauss, consiste em transformar o sistema original A~x = ~b utilizando (n − 1) passos em um sistema linear equivalente com matriz dos coeficientes triangular superior U~x = ~c o qual se resolve facilmente por substituic¸a˜o. Exemplo Resolver 2x1 + 3x2 − x3 = 5 4x1 + 4x2 − 3x3 = 3 2x1 − 3x2 + x3 = −1 pelo me´todo de Gauss Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Ca´lculo Nume´rico Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa Soluc¸a˜o: Escreve-se a matriz aumentada do sistema linear, isto e´, B = 2 3 −1 | 54 4 −3 | 3 2 −3 1 | −1 = [ A | ~b ] Fazendo B0 = B e chamando de L (0) 1 , L (0) 2 , L (0) 3 as linhas 1, 2 e 3, respectivamente, de B0, escolhe-se a (0) 11 como pivoˆ e calculam-se os multiplicadores: m (0) 21 = − a (0) 21 a (0) 11 = −4 2 = −2 m (0) 31 = − a (0) 31 a (0) 11 = −2 2 = −1 Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Ca´lculo Nume´rico Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa Faz-se, agora, as seguintes transformac¸o˜es elementares sobre as linhas de B0: L (1) 1 ← L(0)1 L (1) 2 ← L(0)2 + m(0)21 · L(0)1 L (1) 3 ← L(0)3 + m(0)31 · L(0)1 onde L (1) 1 , L (1) 2 e L (1) 3 sa˜o linhas da matriz transformada, B1. Efetuando-se as transformac¸o˜es acima indicadas tem-se: B1 = 2 3 −1 | 50 -2 −1 | −7 0 −6 2 | −6 Escolhe-se a (1) 22 = −2 como pivoˆ e calcula-se o multiplicador m (1) 32 = − a (1) 32 a (1) 22 = −−6−2 = −3 Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Ca´lculo Nume´rico Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa Sa˜o feitas agora as seguintes transformac¸o˜es elementares sobre as linhas de B1: L (2) 1 ← L(1)1 L (2) 2 ← L(1)2 L (2) 3 ← L(1)3 + m(1)32 · L(1)2 onde L (1) 1 , L (1) 2 e L (1) 3 sa˜o linhas da matriz transformada, B2, que esta´ na forma triangular, isto e´, B2 = 2 3 −1 | 50 −2 −1 | −7 0 0 5 | 15 A matriz B2 e´ a matriz aumentada do sistema triangular superior 2x1 + 3x2 − x3 = 5 − 2x2 − x3 = −7 5x3 = 15 ⇒ x = 12 3 Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Ca´lculo Nume´rico Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa Dispositivo Pra´tico Linha Multiplicador Coeficientes Vetor Transformac¸o˜es (1) 2 3 − 1 5 (2) − 4 2 = −2 4 4 − 3 3 (3) − 2 2 = −1 2 − 3 1 −1 (4) 0 −2 − 1 −7 −2 · (1) + (2) (5) −−6−2 = −3 0 − 6 2 −6 −1 · (1) + (3) (6) 0 0 5 15 Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Ca´lculo Nume´rico Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa Início i = k+1, n j = k+1, n k = 1, n-1 m = -a(i,k) / a(k,k) a(i,k) = 0 a(i,j) = a(i,j) + m*a(k,j) b(i) = b(i) + m*b(k) Fim Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Ca´lculo Nume´rico Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa Aplicac¸a˜o na Engenharia Problema Uma placa quadrada de material homogeˆneo e´ mantida com a borda AB a temperatura de 10oC , a borda BC a 20oC , a borda CD a 30oC e a borda AD a 40oC , conforme ilustrado na figura abaixo. Apo´s atingido o equilibrio te´rmico, qual sera´ a temperatura aproximada em cada ponto da placa? Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Ca´lculo Nume´rico Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa Soluc¸a˜o: Intuitivamente podemos supor que a temperatura de um dado ponto da placa, apo´s o equilibrio te´rmico, sera´ dada pela me´dia das temperaturas dos pontos vizinhos. Logo podemos escrever que T22 = T12 + T23 + T32 + T21 4 = 1 4 (T23 + T32 + 50) T23 = T13 + T24 + T33 + T22 4 = 1 4 (T33 + T22 + 30) T32 = T22 + T33 + T42 + T31 4 = 1 4 (T22 + T33 + 70) T33 = T23 + T34 + T43 + T32 4 = 1 4 (T23 + T32 + 50) Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Ca´lculo Nume´rico Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa Reescrevendo as equac¸o˜es anteriores temos o seguinte sistema alge´brico linear 4T22 − T23 − T32 + 0T33 = 50 −T22 + 4T23 + 0T32 − T33 = 30 −T22 + 0T23 + 4T32 − T33 = 70 0T22 − T23 − T32 + 4T33 = 50 cuja a matriz ampliada B0 e´ dada por B0 = 4 −1 −1 0 | 50 −1 4 0 −1 | 30 −1 0 4 −1 | 70 0 −1 −1 4 | 50 Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Ca´lculo Nume´rico Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa Escolhe-se a (0) 11 = 4 como pivoˆ e calculam-se os multiplicadores: m (0) 21 = − a (0) 21 a (0) 11 = −(−1) 4 = 0,25 m (0) 31 = − a (0) 31 a (0) 11 = −(−1) 4 = 0,25 m (0) 41 = − a (0) 41 a (0) 11 = −0 4 = 0 Faz-se, agora, as seguintes transformac¸o˜es elementares: L (1) 1 ← L(0)1 L (1) 2 ← L(0)2 + 0,25 · L(0)1 L (1) 3 ← L(0)3 + 0,25 · L(0)1 L (1) 4 ← L(0)4 Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Ca´lculo Nume´rico Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa Efetuando-se as transformac¸o˜es acima indicadas tem-se: B1 = 4 −1 −1 0 | 50 0 3,75 −0,25 −1 | 42,5 0 −0,25 3,75 −1 | 82,5 0 −1 −1 4 | 50 Escolhe-se a (1) 22 = 3,75 como pivoˆ e calcula-se os multiplicadores: m (1) 32 = − a (1) 32 a (1) 22 = −(−0,25) 3,75 = 0,06666 m (1) 42 = − a (1) 42 a (1) 22 = −(−1) 3,75 = 0,26666 Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Ca´lculo Nume´rico Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa Sa˜o feitas agora as seguintes transformac¸o˜es elementares sobre as linhas de B1: L (2) 1 ← L(1)1 L (2) 2 ← L(1)2 L (2) 3 ← L(1)3 + 0,06666 · L(1)2 L (2) 4 ← L(1)4 + 0,26666 · L(1)2 Efetuando-se as transformac¸o˜es acima indicadas tem-se: B2 = 4 −1 −1 0 | 50 0 3,75 −0,25 −1 | 42,5 0 0 3,73333 −1,06666 | 85,33333 0 0 −1,06666 3,73333 | 61,33333 Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Ca´lculo Nume´rico Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa Escolhe-se a (2) 33 = 3,73333 como pivoˆ e calcula-se o multiplicador: m (2) 43 = − a (2) 43 a (2) 33 = −(−1,06666) 3,73333 = 0,28571429 Sa˜o feitas agora as seguintes transformac¸o˜es elementares sobre as linhas de B1: L (3) 1 ← L(2)1 L (3) 2 ← L(2)2 L (3) 3 ← L(2)3 L (3) 4 ← L(2)4 + 0,28571 · L(2)3 Efetuando-se as transformac¸o˜es acima indicadas tem-se: B2 = 4 −1 −1 0 | 50 0 3,75 −0,25 −1 | 42,5 0 0 3,73333 −1,06666 | 85,33333 0 0 0 3,42857 | 85,71428 Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Ca´lculo Nume´rico Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa Fazendo substituic¸a˜o retroativa temos: T4 = 85,71428 3,42857 = 25 T3 = 85,33333 + 1,06666 · 25 3,73333 = 30 T2 = 42,5 + 0,25 · 30 + 1 · 25 3,75 = 20 T1 = 50 + 1 · 20 + 1 · 30 + 0 · 25 4 = 25 Exerc´ıcio 1 Resolva o sistema linear abaixo utilizando o Me´todo de Gauss: 2x1 + 4x2 − 6x3 = −21,2−x1 − 3x2 + x3 = 5,7 4x1 + 2x2 − x3 = 1,8 Resposta: ~x = [2; −1,5; 3,2]T Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Ca´lculo Nume´rico Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa Exerc´ıcio 2 Determinar o vetor soluc¸a˜o dos sistemas lineares abaixo atrave´s do me´todo de eliminac¸a˜o de Gauss: (a) 2x1 + 3x2 − x3 = 5 4x1 + 4x2 − 3x3 = 3 2x1 − 3x2 + x3 = −1 (b) 2x1 + 3x2 + x3 − x4 = 6,9 −x1 + x2 − 4x3 + x4 = −6,6 x1 + x2 + x3 + x4 = 10,2 4x1 − 5x2 + x3 − 2x4 = −12,3 Respostas: (a) ~x = [1; 2; 3]T (b) ~x = [0,9; 2,1; 3; 4,2]T Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Ca´lculo Nume´rico Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa No momento de se calcular o multiplicador mik , se o pivoˆ estiver pro´ximo de zero, o me´todo pode ampliar os erros de arredondamento. Para se contornar estes problemas, escolhe-se como pivoˆ max(|aij |), com i , j = 1, 2, ..., n. Logo, miq = − aiq apq onde apq e´ o elemento pivoˆ e a linha p e´ a linha pivotal. Soma-se, a cada linha na˜o pivotal, o produto da linha pivotal pelo fator correspondente miq da linha na˜o pivotal. Rejeitando esta coluna e a p-e´sima linha do pivoˆ, tem-se uma nova matriz M(1). Repetindo o mesmo racioc´ınio n − 1 vezes chegamos a uma u´nica linha. Para se obter a soluc¸a˜o, constro´i-se o sistema formado por todas as linhas pivotais e, a partir da u´ltima linha pertencente a matriz M(n−1), resolve-se atrave´s de substituic¸o˜es retroativas. Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Ca´lculo Nume´rico Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa Exemplo Resolver pelo me´todo de pivotac¸a˜o completa, retendo, durante as eliminac¸o˜es, cinco algarismos depois da v´ırgula: 0,20x1 − 2,00x2 + 4,50x3 = 13,20 1,90x1 + 1,25x2 − 2,95x3 = −5,46 2,00x1 − 5,00x2 + 3,00x3 = 20,4 Soluc¸a˜o: A matria ampliada e´ dada por: B0 = 0,20 −2,00 4,50 | 13,201,90 1,25 −2,95 | −5,46 2,00 −5,00 3,00 | 20,40 Escolhe-se como pivoˆ o maior em valor absoluto dentre os coeficientes da matriz A, ou seja, a32 = −5, e calculam-se os multiplicadores: Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Ca´lculo Nume´rico Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa m (0) 12 = − a12 a32 = −(−2) (−5) = −0,4 m (0) 22 = − a22 a32 = − 1,25 (−5) = 0,25 Faz-se, agora, as seguintes transformac¸o˜es elementares sobre as linhas de B0: L (1) 1 ← L(0)1 + m(0)12 · L(0)3 L (1) 2 ← L(0)2 + m(0)22 · L(0)2 L (1) 3 ← L(0)3 B1 = −0,60 0,00 3,30 | 5,042,40 0,00 −2,20 | −0,36 2,00 −5,00 3,00 | 20,40 Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Ca´lculo Nume´rico Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa Escolhe-se como pivoˆ o maior em valor absoluto dentre os coeficientes da matriz A com excec¸a˜o da segunda coluna, ou seja, a32 = 3,3, e calculam-se os multiplicadores: m (1) 23 = − a23 a13 = −(−2,2) 3,3 = 2 3 Faz-se, agora, as seguintes transformac¸o˜es elementares sobre as linhas de B0: L (2) 1 ← L(1)1 L (2) 2 ← L(1)2 + m(1)23 · L(1)2 L (2) 3 ← L(1)3 B2 = −0,60 0,00 3,30 | 5,042,00 0,00 0,00 | 3,00 2,00 −5,00 3,00 | 20,40 Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Ca´lculo Nume´rico Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa Efetuando-se as substituic¸o˜es retroativas obtemos: x1 = 3,00 2,00 = 1,5 x3 = 5,04 + 0,6 · 1,5 3,3 = 1,8 x2 = 20,4− 2 · 1,5− 3 · 1,8 −5,0 = −2,4 Exerc´ıcio 1 Resolva o sistema linear abaixo utilizando o me´todo de pivotac¸a˜o completa: 2x1 + 2x2 + x3 + x4 = 7 x1 − x2 + 2x3 − x4 = 1 3x1 + 2x2 − 3x3 − 2x4 = 4 4x1 + 3x2 + 2x3 + x4 = 12 Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Ca´lculo Nume´rico Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa Exerc´ıcio 2 Determinar o vetor soluc¸a˜o dos sistemas lineares abaixo atrave´s do me´todo de pivotac¸a˜o completa: (a) 2x1 + 3x2 − x3 = 5 4x1 + 4x2 − 3x3 = 3 2x1 − 3x2 + x3 = −1 (b) 2x1 + 3x2 + x3 − x4 = 6,9 −x1 + x2 − 4x3 + x4 = −6,6 x1 + x2 + x3 + x4 = 10,2 4x1 − 5x2 + x3 − 2x4 = −12,3 (c) 4x1 + 3x2 + 2x3 + x4 = 10 x1 + 2x2 + 3x3 + 4x4 = 5 x1 − x2 − x3 − x4 = −1 x1 + x2 + x3 + x4 = 3 Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Ca´lculo Nume´rico Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa Refinamento da Soluc¸a˜o Seja x (0) a soluc¸a˜o aproximada para o sistema A~x = ~b. Obte´m-se a soluc¸a˜o melhorada x (1) aplicando-se a correc¸a˜o δ(0) em x (0). x (1) = x (0) + δ(0) Se A x (1) = ~b enta˜o A ( x (0) + δ(0) ) = ~b ⇒ A x (0) + A δ(0) = ~b ⇒ A δ(0) = ~b − A x (0) ⇒ A δ(0) = ~r (0) Assim, δ(0) e´ obtido resolvendo o sistema A δ(0) = ~r (0). Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Ca´lculo Nume´rico Me´todo de Eliminac¸a˜o de Gauss Me´todo de Pivotac¸a˜o Completa Obtido δ(0), calcula-se x (1) = x (0) + δ(0). Repete-se o processo para se obter x (2), x (3), ..., x (k) ate´ que se tenha a precisa˜o desejada. Logo, obtem-se o refinamento de forma iterativa pela seguinte equac¸a˜o: x (i+1) = x (i) + δ(i), com i = 0,1,2, ..., k Exerc´ıcio 1 Resolver o seguinte sistema com arredondamento em duas casas decimais na matriz aumentada utilizando o me´todo de eliminac¸a˜o de Gauss. Considerando a soluc¸a˜o x obtida, fac¸a o refinamento ate´ que se obtenha o res´ıduo ~r (k) = ~0, considerando precisa˜o dupla, ou seja, quatro casas decimais. 8,7x1 + 3,0x2 + 9,3x3 + 11,0x4 = 16,4 24,5x1 − 8,8x2 + 11,5x3 − 45,1x4 = −49,7 52,3x1 − 84,0x2 − 23,5x3 + 11,4x4 = −80,8 21,0x1 − 81,0x2 − 13,2x3 + 21,5x4 = −106,3 Universidade Tecnolo´gica Federal do Parana´ Ca´lculo Nume´rico Método de Eliminação de Gauss Método de Pivotação Completa
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