564 70 9MB
German Pages VII, 156 [163] Year 1980
Table of contents :
Front Matter ....Pages i-vii
Einführung (Jürgen Kahmann)....Pages 1-3
Matrizen (Jürgen Kahmann)....Pages 4-8
Lineare Gleichungen und Ungleichungen (Jürgen Kahmann)....Pages 9-59
Iteration (Jürgen Kahmann)....Pages 60-103
Interpolation und diskrete Approximation (Jürgen Kahmann)....Pages 104-130
Numerische Differentiation und Integration (Jürgen Kahmann)....Pages 131-152
Back Matter ....Pages 153-156
Ji.irgen Kahmann Numerische Mathematik Programme fur den TI 59
Dieses Buch stimmt in der Gliederung des Stoffes und in der Bezeichnungsweise uberein mit dem uni-text Wolfgang Bohm und Gunther Gose EinfUhrung in die Methoden der Numerischen Mathematik 1977. VIII, 152 Seiten
"In dem Buch werden die Grundideen numerischer Losungsmethoden dargestellt. Es ist fur Studenten der Mathematik und der Informatik und fur Interessenten naturwissenschaftlicher Disziplinen geschrieben. Nach einer Einfuhrung von Grundbegriffen (Algorithmen, Matrizen) werden im zweiten Teil numerische Fragen der linearen Algebra behandelt, darunter der Gau~sche Algorithmus mit Pivotsuche, der konzentrierte Gau~-Algorithmus, die Methode von Cholesky zur Erhaltung der Symmetrie, die Relaxationsmethode, die angeniiherte Losung uber- oder unterbestimmter linearer Gleichungssysteme und das Simplexverfahren der linearen Optimierung. Iterative Verfahren wie die klassische Vektoriteration, der Rutishauser-Algorithmus, Methoden zur Konvergenzbeschleunigung und Nullstellenbestimmung bilden den dritten Teil. Es folgen die Interpolation durch Polynome und Splinefunktionen. 1m abschlie~enden funften Teil werden die numerische Differentiation und I ntegration einschlie~lich Fehlerabschiitzungen, die Grenzwertbestimmung durch Extrapolation sowie Ein- und einfache Mehrschrittverfahren mit Schrittweitensteuerung zur L6sung von Differentialgleichungen behandelt, dabei wird auf das Runge-Kutta-Verfahren besonders eingegangen und ein Vergleich der Vorteile von Ein- und Mehrschrittverfahren durchgefuhrt. Die Darstellung strebt mehr nach Klarheit der Grundideen als nach Volistiindigkeit oder weitestgehender Aligemeinheit. Die einzelnen Verfahren werden durch Algorithmen ergiinzt, die die Formulierung in der Programmiersprache ALGOL vorbereiten. Das ausgezeichnete Lehrbuch ist besonders auch zum Selbststudium geeignet." ZAMM November 1979
Anwendung programmierbarer Taschenrechner
BandS
JOrgen Kahmann
Numerische Mathematik Programme fur den TI 59
Friedr. Vieweg & Sohn
Braunschweig/Wiesbaden
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Kahmann, Jurgen: Numerische Mathematik: Programme fur d_ TI 59/ Jiirgen Kahmann. - Braunschweig, Wiesbaden: Vieweg, 1980. (Anwendung programmierbarer Taschenrechner; Bd.5) ISBN 978-3-528-04171-7 ISBN 978-3-322-96313-0 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-96313-0
Aile Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig 1980 Die Vervielfaltigung und Obertragung einzelner Textabschnitte, Zeichnungen oder Bilder, auch fur Zwecke der Unterrichtsgestaltung, gestattet das Urheberrecht nur, wenn sie mit dem Verlag vorher vereinbart wurden. 1m Einzelfall muB uber die 2ahlung einer Gebuhr fur die Nutzung fremden geistigen Eigentums entschieden werden. Das gilt fur die Vervielfaltigung durch aile Verfahren einschlieBlich Speicherung und jede Obertragung auf Papier, Transparente, Filme, Bander, Platten und andere Medien. Satz: Friedr. Vieweg & Sohn, Braunschweig
ISBN 978-3-528-04171-7
Vorwort
In den letiten Jahren war in der Herstellung immer leistungsfahigerer programmierbarer Taschenrechner eine rasante Entwicklung zu beobachten. Um ihre Moglichkeiten und Kapazitaten optimal auszuschopfen, sollten auch fur diese Kleinrechner Programmbibliotheken zur Verfugung stehen. Der vorliegende Band enthalt eine Sammlung nutzlicher Programme der numerischen Mathematik fur den programmierbaren Taschenrechner TEXAS INSTRUMENTS TI 59. Zugrundegelegt wurde das im gleichen Verlag erschienene Buch "Einfuhrung in die Methoden der Numerischen Mathematik" von Wolfgang Bohm und Gunther Gose (Vieweg, Braunschweig 1977), aus dem Gliederung und Bezeichnungsweise ubernommen wurden, um die Anwendung und das Arbeiten mit den Programmen zu erleichtern. Hier findet der interessierte Leser neben der theoretischen Herleitung auch die fluBdiagrammahnlichen Algorithmen, nach denen die Programme erstellt wurden. Einen kurzen Oberblick fiber die Handhabung des Rechners liefert das Kapitel 0 "Einfuhrung". Dem im Umgang mit dem TI 59 ungefibten Leser sei zunachst ein intensives Studium der zum Rechner gehorenden Bedienungsanleitung "Individuelles Programmieren", insbesondere der Abschnitte I, II und VII empfohlen. Mein ganz besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr. Wolfgang Bohm, dessen Vorlesungen ich die Freude an der numerischen Mathematik verdanke. Ohne seine Anregungen und aufmunternden Ratschlage ware dieses Buch nicht entstanden. Nicht zuletzt danke ich der Firma TEXAS INSTRUMENTS fur die freundliche Unterstutzung und dem Vieweg Verlag fur die problem lose Zusammenarbeit.
Jiirgen Kahmann
Wolfenbuttel, im Fruhjahr 1980
I nhaltsverzeichnis
o
Einfuhrung ............................................... . 0.1 0.2 0.3
Der Rechner TI 59 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Eingabe von Programmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Magnetkarten............................................
1 2 3
1 Matrizen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
4
1.1 1.2
Produktsumme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Matrizenprodukt.........................................
4 6
2 Lineare Gleichungen und Ungleichungen .......... . . . . . . . . . . . . . ..
9
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10
Der Algorithmus von GauB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Der GauBalgorithmus mit Pivotsuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Die LR-Zerlegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Die LR-Zerlegung mit Pivotsuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Inversion mit totaler Pivotsuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Cholesky·Zerlegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Die OR-Zerlegung und vermittelndes Ausgleichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Zyklische Relaxation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Methode des stiirksten Abstiegs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Lineare Optimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
9 13 16 21 28 34 40 46 49 53
3 Iteration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 60 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15
Vektoriteration nach von Mises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Inverse Iteration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Der LR-Algorithmus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Iteration in einer Variablen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Steffensen-Iteration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Das Newton-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regula falsi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Das Horner-Schema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Das erweiterte Horner-Schema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einfache Nullstellen von Polynomen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Das Verfahren von Bairstow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Das Bernoulli -Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Das inverse Bernoulli-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Der OD-Algorithmus fur tridiagonale Matrizen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Der OD-Algorithmus fur Poly nome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
60 64 70 75 78 80 82 84 86 88 90 93 95 97 100
4 Interpolation und diskrete Approximation 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9
....................... 104
Lagrange-I nterpolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Das Schema von Neville . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Entwickeln nach Tschebyscheff-Polynomen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Ckonomisieren eines Poly noms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Methode der kleinsten Quadrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 Der Algorithmus von Clenshaw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 De Castlejau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 Bezier-Kurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 Interpolation durch kubische Splines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5 Numerische Differentiation und Integration ...................... 131 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8
Numerische Differentiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sehnentrapezsumme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Romberg-Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Das Eulersche Polygonzugverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Das Verfahren von Heun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Das klassische Runge-Kutta-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einschrittverfahren mit Schrittweitensteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Mittelpunktsregel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Literatur
131 135 137 140 142 144 147 150
................................................... 153
Verzeichnis der behandelten Probleme ............................. 154
1
o Einflihrung
Dieses Buch enthalt 44 Programme der numerischen Mathematik fur den programmierbaren Taschenrechner TEXAS INSTRUMENTS TI 59. Die ausfuhrlichen Programmbeschreibungen umfassen jeweils - eine kurze Erlauterung des programmierten Verfahrens - eine Tabelle der bei der Benutzung des Programms durchzufuhrenden Tastenfolgen - eine Obersicht uber die Registerinhalte ein yom TI 59 durchgerechnetes Beispiel und - einen vollstandigen Programmausdruck (sowie bei den Programmen 4.3 und 4.4 eine Liste der einzugebenden Konstanten). Bei den Programmbeschreibungen wurde davon ausgegangen. daB die Programme auf Magnetkarten gespeichert sind. Die Programmlisten haben folgende Form: 000 43 001 01 002 42 003 02
RCL 01 STO 02
Dabei bedeuten die ersten drei Ziffern die Nummer der Programmspeicherstelle. die beiden Ziffern in der Mitte den Tastencode. rechts steht das Tastensymbol.
0.1 Der Rechner TI 59 Der TI 59 ist ein programmierbarer Taschenrechner. der in drei Operationsarten betrieben werden kann: Verwendung des Moduls Durchfuhrung von selbst eingegebenen Programmen Benutzung als uber die Tastatur zu bedienender Rechner Wichtig fur den Leser ist die zweitgenannte Betriebsart.
o Einfiihrung
2 Foigende Zeichnung zeigt die Speicherkapazitat und -verteilung des Rechners
BI.2
BI. 1
BI.4
BI. 3 960 880
110
800
20
720
30
640
40
560
50
480
60
400
70
320 240 160 1
80 90 100
Pr09rammspeicher
Datenspeicher
Wird der Rechner eingeschaltet, stehen 60 Datenspeicher und 480 Programmspeicherstellen zur Verfiigung. Mittels der Tastenfolge ~ 2nd Op 17 laBt sich die Speicherbereichsverteilung - etwa bei Programmen mit hohem Datenspeicherbedarf - auf 10' n Datenspeicher andern. Die zugehorige Anzahl von Programmspeicherstellen entnehme man jeweils der Skizze. Bei den einzelnen Program men ist angegeben, ob und in welcher Weise die Speicherbereichsverteilung geandert werden kann oder muB.
0.2 Eingabe von Programmen Vor Eingabe eines Programmes empfiehlt es sich stets, den Rechner kurz auszuschalten, um sicherzustellen, daB aile Register geloscht sind. Will man ein Programm in den TI 59 eingeben, geht man wie folgt vor: 1. 2. 3. 4.
Einschalten des Rechners Taste LRN driicken. Es erscheint die Anzeige 00000. Eingabe der in den Programmlisten abgedruckten Programmbefehle Taste LRN driicken
Jetzt hat der Rechner das Programm gespeichert.
0.3 Magnetkarten
3
0.3 Magnetkarten In den Programrnbeschreibungen wurde davon ausgegangen, daB die Programme von Magnetkarten in den Rechner eingelesen werden. Aus diesem Grunde und aus Bequemlichkeit ist es sinnvoll, ein in den Rechner eingetastetes Programm auf eine Magnetkarte zu iibertragen. Eine Magnetkarte kann den Inhalt zweier Blocke speichern; die Nummer der gespeicherten Blocke so lite man beim Beschriften der Karte in den dafiir vorgesehenen Kastchen links bzw. rechts oben auf der Karte vermerken. Das Beschreiben der Magnetkarte mit Block m durch den Rechner geschieht folgendermaBen: 1. Tasten m 2nd Write driicken 2. Magnetkarte einschieben 3. In der Anzeige erscheint die Nummer des Blocks m Block mist jetzt auf die Magnetkarte iibertragen und wird mit jedem Einlesen im Rechner wieder abgespeichert. Das Einlesen einer Magnetkarte geschieht so: 1. Anzeige auf 0 stellen 2. Magnetkarte einschieben 3. In der Anzeige erscheint die Nummer des eben eingelesenen Blocks Zu beachten ist, daB Magnetkarten nur dann eingelesen werden konnen, wenn die Speicherbereichsverteilung dieselbe ist wie beim Beschreiben der Magnetkarte.
4
1 Matrizen
1.1 Produktsumme Das Programm bestimmt die Produktsumme s = aTb zweier n-Spalten a und b,
Programminstruktionen Verfahren 1 Einlesen der Magnetkarte (Block 1) 2 Programmbeginn 3 Eingabe der Nummer des ersten zu belegenden Speicherplatzes k ~ 4 4 Eingabe von a1, .. " an; b 1, .. " b n Dabei bedeutet die Anzeige i, daB bisher i-1 Daten eingegeben wurden
5 Ende der Koeffizienteneingabe 6 Eingabe von k und n 7 Ergebnisanzeige
Reg isterinhalte Roo, .. ,' R03: Programmzeiger Rk , .. "R k + n- 1 : a1, .. "an Rk + n, .. " Rk + 2n - 1 : b" .. " bn
Eingabe
Taste
Anzeige
A k
R/S
1
a1 a2
R/S R/S
2 3
an b1
R/S R/S
n+1 n+2
bn
R/S
2n+1
B
2n+1
k n
R/S R/S
k s
5
1.1 Produktsumme
Beispiel
[3.1]
Man berechne s =aT b mit a = 2.7 1.5
[4.2]
und b = 0 ..8 . 2.3 Eingabe
Anmerkungen
Taste
Anzeige
1 1 1 2 3 4 5
Magnetkarte einlesen (Block 1)
A
Programmbeginn
3.1 2.7 1.5 4.2 0.8 2.3
91 42 00 01 42 0·-'"43 02 91 ..,.:. , '00 01 44
Produktsumme
00 00 44 SUt'1 02 f'_......-:' 61 GTO 00 OC 0::: 0:::
0:",0 0:": 1 0:"'2 033 034
02 02
024
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42 ~:;TO 00 00 91 R./S 42 ~:;TC 01 01
029
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03::: 039 040 041 042 043 044
p./s
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00 1
STO
PCl R. ··~:; ST*
00 1
SUt'1
4 18.63
015 016 017 01::: I) 1';" 02:0 021 022
76 l8l 11 A
R/S R/S
4 3
n Anzeige von: s
000 001 002 00:": 004 005 006 007 00::: 009 010 01 1 012 01:;: 014
6 7 7
B
Eingabe von: k
Programm 1.1
R/S R/S R/S R/S R/S R/S R/S
4
k a1 a2 a3 b1 b2 b3 Ende der Koeffizienteneingabe Eingabe von:
!)2:3 P·-,t:: _'C,."_'
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20
2 Lineare Gleichungen und Ungleichungen
100 101 102 10:3 104
44 :::Ut'1 0:3 0:3 01 1 44 :::Ut'1 04 04
106 107 10::: 109 110 111
09 O'? 24 CE 7:3 F.:C* 06 06
11:3 114 115
06
105
112
116
117 11::: 119 120 121 122
123
124 125 126 127 12:3
129 1:30 131
1:n
13:c: 134 135 136 137 13::: 139 140 141 142 143 144 145 146
147 14::: 149 150 151 152 153 154 155 156
157 158
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1 ::: 1 1:::2
1::::3 1:::4 1:::5
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22 I ~iV
159 160
06
162
191
192
19:3 194 195 196 197 19::: 199 200 201 202 20:3 204 205 206 207 20::: 209 210 211
212 213 214 215 216 217
21:::
219 220 221 222 22:3
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01
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126 127 12::: 129 130
131 132 1 3~:
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145 146
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148
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150 151
152 15~:
154 155 156 157
15:::
159
160 161 162 163 164 165
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00 01 54
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174 175
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F:CL
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44 :3Ut'i
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44 SUt'i
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1
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42 STO 05 05 97 D:3Z 0';1 09 90 L:3T 4~:
F:CL
00 42 STO 02 02 00
4:3 F:CL
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85 + 43 RCL 01 01 95 = 42 STD 03 03
76 LBL :::::: m'jS 7:::: F:C* 03 0:3 91 R.····S 01
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43 F:CL
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270
269
02
217
00
91 R/S 76 LBL 16 A'
02
218
00 85 01 54 75 01
264 2E.5 266 267 268
213
216
5:;: I., 4:::: RCL
2:::6 28:::
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00
RCL 01 + RCL
00
95
42 STO
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01
02 1
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43 F:CL o~:
91
0:3
F:.··~S
72 ST* 02 02 01 1 44 SUt·j
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02
44 SUt·j
28
2 Lineare Gleichungen und Ungleichungen
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29 29 2'3
2'3
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B
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PCl +
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PCl
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374 375
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3::: 1 :;::::2
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04
05
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75 73 PC*
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391 392 393 394 395 396 397
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411 412
413
414
415
416 417
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419 420
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04
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06
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Ii'
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4:35
436
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44 SUt'i
44 SUt'i
23 It'i~< 61 GTO
2.5 Inversion mit totaler Pivotsuche Das Programm bestimmt die Inverse A- 1 = [a;kl einer reguliiren n,n-Matrix A mittels des Austauschverfahrens. Dabei wird in jedem Schritt innerhalb der bisher nicht getauschten Zeilen und Spalten eine totale Pivotsuche durchgefiihrt. Der jeweilige Pivot wird in die Hauptdiagonale getauscht. Nach Durchfiihrung der Inversion werden die Zeilen und Spalten in natiirlicher Reihenfolge geordnet. Das Programm zerfiillt in drei Teile und gestattet so die Anwendung auf Matrizen bis zur Ordnung n = 6.
29
2.5 Inversion mit totaler Pivotsuche
Programminstruktionen Eingabe
Verfahren
1 "Teil 1" einlesen (Block 1) 2 Programmbeginn "Teil 1" 3 Eingabe der Matrixordnung n 4 Eingabe der Nummer des ersten zu belegenden Speicherplatzes k ~ 11 5 Eingabe der Matrix A spaltenweise
Taste
Anzeige
1 1 n
A n k
6 Ende der Koeffizienteneingabe
R/S R/S
a11 a21
R/S R/S
ann
R/S B
1 2 3 n2 +1
0 2
7 "Teil 2" einlesen (Block 1,2) 8 Programmbeginn "Teil 2"
C
0 2
9 "Teil 3" einlesen (Block 1, 2) 10 Programmbeginn "Teil 3" 11 Ergebnisanzeige (A- 1 spaltenweise)
D
a;1 R/S
ai1
R/S
a~n
Registerinhalte Roo, ... , R10 : Programmzeiger Rk , ... , Rk +2n - 1 : Zeilen- und Spaltenindizes Rk +2n , ... , Rk +n2+2n-1: a11, ... , ann
Bemerku ngen 1. In den Registern Rk , ... , Rk +2n - 1 werden die Zeilen- und Spaltenvertauschungen gespeichert und fur den Rucktausch von dort abgerufen. 2. 1st A singular, so halt das Programm wahrend der Ausfuhrung von "Teil 2" und zeigt dieses durch eine blinkende Anzeige an.
Beispiel Gesucht 1st dIe 'ove"" de< M.",x A =
[~
2
~].
30
2 Lineare Gleichungen und Ungleichungen
Anmerkungen
Eingabe
Taste
1
"TeiI1" einlesen (Block 1) Programmbeginn "Teil 1" Eingabe von:
Anzeige
n k
A
1
R/S R/S
3
11 2 1 2 2 1 1 0 2 1
R/S R/S R/S R/S R/S R/S R/S R/S R/S
2
3
1 Eingabe von:
a11 a21 a31 a12 a22 a32 a13 a23 a33 Ende der Koeffizienteneingabe
3 4 5
6 7
8 9 10
B 0
"TeiI2" einlesen (Block 1,2)
2
Programmbeginn "Teil 2"
C 0
"Teil 3" einlesen (Block 1,2)
2
Programmbeginn "Teil 3" Anzeige von:
D
a;l a21 a31 a;2 a22 a32 a;3 a23 a33
-0.25 Es ist also A- 1 = [ 0.75 -0.25
R/S R/S R/S R/S R/S R/S R/S R/S -0.5 0.5 0.5
-iJ.
-0.25 0.75 -0.25 -0.5 0.5 0.5 1 -1 0
31
2.5 Inversion mit totaler Pivotsuche
Programm 2.5
Inversion mit totaler Pivotsuche
Teil1
D
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D
i
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5
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02
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03
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065
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2 Lineare Gleichungen und Ungleichungen
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156 157
160 161
162 163 lEA
165 166 167 16:::: 169 170 171 172 173 174 175 176 177
17::::
17'3
1:::0 1:::1 1:::2 1::::3
1 ::::4 1 :::5
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43 P l 01 1 43 F:Cl
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92
93
94 95 97
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00 01 02 03 04 05
06 07
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09 10 11 13 14
43 pel 02 02 54 '35
03 03 43 F.:Cl 01 01
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00 :::5 + 4:~: PCl 00 00 65 43 PCl 05 95
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04
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17
04
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19 20 21 22
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47
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257
25::: 259
260 261 262
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265 266 267
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00
85
65
42 ::;TO 04 04 85 53 ;" ._1
05 :::5
01 54 65
.. ..
06
+
43 F:CL
01 75 01
01
230 231 23:3
234
05 +
1 >::
43 F:CL 00 00
229
85
+
43 F:CL 02 02 ..,'" 43 RCL
02
':"'':''''-'
251 252 253
',5
'35
.: : :'
::
:: I
265 266 267 26::::
43 PCl 10 10 54 50 I>:: I
270 271
25 ClP 01 1 44 SU~l 02 02 44 SUt'l
202
208
209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 22E. 227
228 229 230 231 232 233 234
2::::5
236 237 2::::8 239 240 241
95
22 44 02 01 44 04 97 08 10 43 00 33 85 43 01
200 201
H~"''''
SUt'l
02 1
SUt'l
04
IIS:
08
E'
pel
00 ;:.::::: +
PCl 01 95 = 42 ::::TO 02 02 4:3 F:Cl 00 00
242 243 244 245 246
'35
:32 ;:-::: T
73 F:C* 02 02 42 STO 10 10 76 lBl 18 C' 01 1 44 ::::Ut'l 02 02 73 PC* 02 02 50 I ::< I 22 ltf·. . 77 GE 24 CE
:32 >::: T 73 F.:C*
02 02 42 STO 10 10 76 lBl 24 CE 97 IIS: 09 09 1:::
43 00 42 09 33 85 43 01 95 42 02
247
:::5
250
'35
248 249
251 252 253 254
255
EO
t·{
24 CE
f"
F:Cl 00
273 274
275
276
277 278 279 280 2:::1 2::::2
2:::::::
STO
02 +
42 STO 03 03 43 F:Cl OE. 06
261
75
02
03 ::
::
F:C* 03 SUt'l
64
3 Iteration
324
:::25
..
326 .: :.-::, , '_'0:-
32::: 32'3
330
..
3:::: 1
..
.: :,.:. '-' '-''.: :.-:. '-' --"-'
334
07 0 43 FC 10 1 22 I tl 64 PD 02 0 CI 1
1
44 ::;Ut'l 02 02 44 SUt'l 03 03
3:35 ::::36 ::;::;:7
-:":'0 '-"-"-'
33'3
340 34 1 342 343 ::::44 345
.
'37 DSZ
0'3 09 16 A 43 FCL 0::: 0::: 55 4·:'._' RCL 07 07 '35
42 STO 10 10
346 347 34::: 349
::::50 ::::5 1
352 353 354
::::55 ::::56
43 FCL 00 00 42 ::;TO 0'3 0'3 .::'-::' I t·l'",' 44 ::;Ut'l 02 02 43 F.:CL 10 10
5
._' '"._' 6 6
~
.:.
02
'3 1 01
02
F/::; 1
6
44 ::;Ut'l 02 02
6 6 6
0'3 33
6
'3 1 R.··. ::; 7 Eo LBL
>:: ;:: ..,J3 , ..-,.:. PC*
'37 IIS:
09
.•.'2
'3 1 R...·::;
3.2 Inverse Iteration Das Programm berechnet den betragskleinsten Eigenwert An der n,n-Matrix A als bet ragsgroBten Eigenwert A~l von A- l . Dabei wird die Iterationsvorschrift -l Yj = A Yj-l ersetzt durch das Losen des linearen Gleichungssystems LRYj=Yj_l ' wobei die LR-Zerlegung von A vorher durch das Programm 2.4 "Die LR-Zerlegung mit Pivotsuche" bereitgestellt wird. Das Programm bricht die Iteration ab, wenn der Wert IIY j - Yj- l lIyjlUl oo eine vorzugebende Toleranz € > 0 unterschreitet oder die Hochstzahl N von Schritten durchgefuhrt wurde. Es ist in drei Teile zerlegt und auf Matrizen bis zur Ordnung n = 5 anwendbar. Damit die Speicherbelegung ubereinstimmt, muB beim Programm "Die LR-Zerlegung mit Pivotsuche" die Nummer des ersten zu belegenden Speicherplatzes k = 14 gewahlt werden.
Programminstruktionen Verfahren
Eingabe
Taste
1 "LR-Zerlegung mit Pivotsuche - Teil 1" einlesen (Block 1)
2 Programmbeginn "Teil 1" 3 Eingabe der Nummer des ersten zu belegenden Speicherplatzes k = 14 4 Eingabe von A spaltenweise
Anzeige 1
A
1
14
R/S
1
all a2l
R/S R/S
2 3
ann
R/S
n 2 +1
65
3.2 Inverse Iteration
Verfahren
Eingabe
5 Ende der Koeffizienteneingabe
Taste B
6 Eingabe von n und k
n k
R/S R/S
Anzeige n2+1 n 0
7 "LR-Zerlegung mit Pivotsuche - Teil 2" einlesen (Block 1,2)
2
8 Programmbeginn "Teil 2"
C 0
9 "Inverse Iteration - Teil1" einlesen (Block 1)
1
10 Programmbeginn "Teil 1" 11 Eingabe des Startvektors Yo
A
1
y~o)
R/S
2
y~o)
R/S
n+1
B
0
N
R/S R/S
N
12 Ende der Koeffizienteneingabe 13 Eingabe von N und E
E
0 14 "I nverse Iteration - Teil 2" einlesen (Block 1,2) 15 Programmbeginn "Teil 2"
2
C 0
16 "Inverse Iteration - Teil 3" einlesen (Block 1) 17 Programmbeginn "Teil 3" 18 Anzeige des Eigenwerts An und des Eigenvektors X
Registerinhalte Roo, ... , R 13 : Programmzeiger R 14 , ... , Rn2 + 13: Koeffizienten der LR-Zerlegung von A Rn2+ 14, ... , Rn2 + n+ 13·. Y1(i) , ... , y n(i) Rn2+n+14' ... , Rn2+2n+13: Zeilenindizes Rn2+2n+14' ... , R n2 +3n+13·. Y1(i-1) , ... , Y(i-1) n Rn2+3n+14, ... , R n2-14n+13: Zeilenindizes
1
D R/S
An X1
R/S
Xn
66
3 Iteration
Beispiel Gesucht ist der betragskleinste Eigenwert A3 der Matrix A=
[~1 2~ 3~l
horige Eigenvektor x. Dabei sei Vo = [1, 0, OlT, N = 10 und
Anmerkungen
Eingabe
E
= 0.0001.
Taste
"LR-Zerlegung mit Pivotsuche - Teil 1" einlesen (Block 1) A
k a11 a21 a31 a12 a22 a32 a13 a23 a33 Ende der Koeffizienteneingabe
14 1 0 1 0 4 2 1 2 3
Eingabe von:
3 14
n k
RIS RIS RIS RIS RIS RIS RIS RIS RIS RIS B RIS RIS
Programmbeginn "Teil 2"
A
1
RIS
2
0
RIS
3
0
RIS
4
B
0 10
Ende der Koeffizienteneingabe Eingabe von:
N E
9
10 10 3
0 1 1
Programmbeginn "Teil 1"
V&O)
7
8
C
"Inverse Iteration - Teil 1" einlesen (Block 1)
V~O)
1 1 2 3 4 5 6
0 2
"LR-Zerlegung mit Pivotsuche - Teil 2" einlesen (Block 1, 2)
Eingabe von: V\O)
Anzeige
1
Programmbeginn "Teil 1" Eingabe von:
und der zuge-
10 0.0001
RIS RIS
0
67
3.2 Inverse Iteration
Taste
Eingabe
Anmerkungen
Anzeige
"Inverse Iteration - Teil 2" einlesen (Block 1,2)
2
C
Programmbeginn "Teil 2"
0 "Inverse Iteration - Teil3" einlesen (Block 1)
1
Programmbeginn "Teil 3" Anzeige von:
D
A3
R/S R/S R/S
Xl X2 X3
Programm 3.2
.354248689 1 .3542448811 -.6457466823
Inverse Iteration
Teil 1 000 OOi 002 003 004 005 006 007
ooe
009 010 01 1 012 013 014 015 016
Oi7
01::: 019 020
76 LEL 11 A 01 04 4 42 ::;TO 01 01
,-,e
':',-'
+
43 RCL 00 00
..
.: :. '-"-'
;:'::2
'35 42 ::;TO 02 02 01 1 42 ::;TO 03 03
7Eo LBL 22 I t·~',/ 43 RCL 0:::: 03 '31 R...·S
021 022 023 024 025 026
027
02::: 02'3 030 031 032 033 034 0:35 036
0::::7
03::: 03'3 040 041
"7-:' , "-
q~
I Teil 2 000 001 002 003 004 005 006 007
(" t·
1·:' ._'
29
43 00 42 04 71
LBL C CP RCL 00 ::;TO 04 SER
008 009 010 01 1 012 013 014 015
ST*
02 02 01 1 44 ::;Ut'i 02 02 44 ::;Ut'1 03 0:::: 61 GTO 22 ltV"; 76 LBL 12 B .-, t:' '::'-' CLF.: R. ·. 3 •. 1 42 ::;TO 02 02 91 R. . . 3 42 3TO 03 03 43 RCL 00 00 75
.
16 A 42 3TD 05 05 85 + 02 2 .. 1:. __1 ~
::
~:T
RC*
07
E>(*
10
Ei·(*
07
PC*
06
EX*
05
E>(* 010.
L8l
xn 1
SU~l
04
156
157 15::: 159 160 161 162 163 164 165 166 167 16::: 169 170 171 172
In
174 175 176
177
178 179 180 H:l 1E:2 lE:3
184 185 186 187
1::::::
1:::9 190 191 192
In
194 195
196
197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 21:::: 214 215 216 217
44 06 44 07 97 OE: 23 71 16 42 07 :::5 01 95 42 05 4:::: 01 85 01 95 42 04 43 00 75 01
SUt'l
06
44 ::;Ut'l
219
05
05 ::;8F.:
220 221 222 22:;: 224 225 226 227 22E:
71 16 42 07 4:::: 01 E:5 4:::: 00
+ 1
22'3
STD
230 231
75
43 PCl 09 09
2:;:2 2:;::;: 234 235 2310,
85
01 1 95 = 42 ::;TD 04 04
+
2:;:7
97
D~;Z
SUt'l 07
IiSZ
0:::
U~::-::
S8F.:
A'
STD
07
05
F.:Cl
01
+
1
07
238 2::::9 240 241 242 243 244 245 2410. 247 248 249 250 251 252 25:::: 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275
08 STD 1
277 278 279
=
STD
04
F.:Cl
00
95
42 STD 09 09
76 l8l =:::5 1 . . . >:: 43 RCl
00 75 43 09 95 42 08 76 42 73 04 65 73 07 95 22 74 05 43 00 44 04 01 44 07 97 08 42 01
218
00
F.:Cl
09
=
STD
OE:
l8l STD RC*
04 ::
Q'- ." (
298 299 300 301 302 303 304 305 306 307 308 309 310 311 312 313 314 315 316 317 318 319 320 321 322 323 324 325 326
04 43 10 85 01 95 42 05 43 00 75 01 95 42 09 76 43 43 00 75 43 09 95 42 08 76 44 73 04 65 73 05 95 22 74 10 43 00 22 44 04 01 22 44 05 97 08
04 RCL 10 + 1
= STO
05 RCL 00
STO 09 LBL RCL RCL 00 RCL 09
=
STO 08 LBL SUM RC* 04 x RC* 05
=
It~V
S11* 10 RCL 00 INV SUM 04 1 It~V
SUM 05 DSZ 08
+ RCL 00
374 375 376 377 378 379 380 381 382 383 384 385 386 387 388 389 390 391 392 393 394 395 396 397 398 399 400 401 402 403 404
=
406 407
371 372 373
44 73 07 22 64 10 43 00 85 01 95 22 44 07 01 22 44 10 43 10 75 43 00 95 42 04 71 16 85 43 00 75 01 95 42 05 97 09 43 71 16 42 10 43 00 75 01
008 009 010 011 012 013 014 015
43 RCL 01 01 95 = 42 STO 10 10 85 + 02 2 65 x
327 328 329 330 331 332 333 334 335 336 337 338 339 340 341 342 343 344 345 346 347 348 349 350 351 352 353 354 355 356 357 358 359 360 361 362 363 364 365 366 367 368 369
370
SUM RC* 07 INV PD* 10 RCL 00 + 1
=
INV SUM 07 1 INV SUI1 10 RCL 10 RCL 00
= sm 04 SBR
A'
STO 05 DSZ 09 RCL SBR
A'
STO 10 RCL 00
405 408 409
410 411 412 413 414 415 416 417 418 419
420
421
95 42 09 73 10 50 42 06 32 76 45 01 44 10 73 10 50 22 77 52 67 52 42 06 32 76 52 97 09 45 43 00 42 09 71 16 42 10 85 02 65 43 00 95 42 07 43 03
= sm
09 RC* 10 IXI
sm 06
X:r
LBL yx 1 SUI1 10 RC* 10 IXI INV
GE EE EQ EE sm 06
X:r
LBL
EE
DSZ 09 yx RCL 00
sm 09 SBR
A'
sm 10 + 2 x RCL 00
=
sm 07 RCL 03
422 423 424 425 426 427 428 429 430 431 432 433 434 435 436 437 438 439 440 441 442 443 444 445 446 447 448 449 450 451 452 453 454 455 456 457 458 459 460 461 462 463 464 465 466 467 468 469
32 76 53 53 73 10 50 75 73 07 50 65 43 06 54 50 77 54 01 44 10 44 07 97 09 53 61 55 76 54 97 02 13 76 55 25 91 76 16 53 43 00 33 85 43 01 54 92
024 025 026 027
42 05 76 65 73 10 33 44
X:r
LBL ( (
RC* 10 IxI RC* "07 IxI x RCL 06 )
IxI
GE
)
1 SUM 10 SUM 07 DSZ 09 (
Gm LBL )
DSZ 02 C LBL CLR R/S LBL
A'
(
RCL 00
X2
+ RCL 01 )
RTN
Teil3 000 001 002 003 004 005 006 007
76 LBL 14 D 43 RCL 00 00 42 STD 09 09 33 :X;2 85 +
016 017 018 019 020 021 022 023
43 RCL 00 00
95
:::
42 STO 07 07 00 0 42 sm 08 08
028
029 030 031
STO 05 LBL x
RC* 10 X2
SUM
70 03 03 03 03 03 03 03 03 04 04 04 04
3 Iteration 08 0::: 73 PC* 10 10
044 045 046 047 04::: 049 050 051
65 .., ..-,.:. PC* ;
07
95
07
44 sun 05 05 43 PCl 06 06 22 I t·~ '.,.'
052
05:;:
054 055
6
0 4 1 4 0 '3 0 6 4 0
PD*
056
.::,.::' I t·~ './
::;un
05::: 05'3
pel
10 1 10
::;Ur'1 07
DS: 0'3
peL 0:::
057
OE,O ClE.1
062 063 064
065 06E, 067
49 05 43 00 42 09 22 44 10 4:3
05
PF.:D
05
00 ::;TO 09 I t·~,,/
SUr'1
10
PCl 05
(I
:::
0 '3 (I 0 0 1 0 2 0 :;: 0 4 0 5 0 6 (I 7 0 ::: 0 9 0 0
91 p.""::; 76 lBl c".) + I-'~
7::::
PC*
'37
D::;:
10 10 91 p . ··S 01 1 44 ::;Ur'1 10 10 09
09 +
,-.1:'
':'._'
91 p.
,,- ~:;
3.3 Der LR-Algorithmus Der Algorithmus von Rutishauser zur Bestimmung der Eigenwerte der regularen n,n-Matrix A beruht darauf, die Faktoren der LR-Zerlegung von A in umgekehrter Reihenfolge zu multiplizieren und dieses Vorgehen zu wiederholen:
A =: A1 R1 - L1 =: A2
Existiert die LR-Zerlegung jeder Matrix A; und sind aile Eigenwerte von A von verschiedenem Betrag, so konvergieren die L; gegen die Einheitsmatrix E und die R; gegen eine obere Dreiecksmatrix R, in deren Hauptdiagonalen die Eigenwerte der Matrix A stehen. Das Programm fiihrt maximal eine vorzugebende Anzahl N von Iterationsschritten durch oder bricht vorher ab, falls IlL; - Ell .. ~
€
-IIAII ..
ist, wobei € eine vorzugebende Toleranzschranke ist_ Vor Einlesen der Magnetkarten ist die Speicherbereichsverteilung mittels der Tastenfolge 3 2nd Op 17 auf 720 Programmspeicherstellen zu andern_ Das Programm bearbeitet Matrizen bis zur Ordnung n = 3_
Programminstruktionen Verfahren 1 Anderung der Speicherbereichsverteilung
Eingabe
3
Taste
Anzeige
2nd Op
17
719_29 CLR
0
3.3 Der LR-Algorithmus
71
Verfahren
Eingabe
Taste
Anzeige
2 Magnetkarten einlesen (Block 1, 2, 3)
3
3 Programmbeginn
A
3
4 Eingabe der Nummer des ersten zu belegenden Speicherplatzes k = 15
15
R/S
1
5 Eingabe der Matrix A spaltenweise
a11 a21
R/S R/S
2 3
ann
R/S
n2+1 n 2+1
6 Ende der Koeffizienteneingabe 7 Eingabe von n, k, N und €
B n 15 N
R/S R/S R/S R/S
€
8 Anzeige der E igenwerte Ai
n 15 N
R/S
A1 A2
R/S
An
Registerinhalte Roo, ... , R 14 : Programmzeiger R15, ... , R n2 + 14: a11 , ... , ann R n2+15, ... , R n (2n-1)+14: Zwischenergebnisse
Bemerkung 1st eine LR-Zerlegung von Ai nicht moglich, so halt das Programm und der Rechner zeigt dies durch eine blinkende Anzeige an. Nach Driicken der Tasten CLR und ~ erfolgt dann die Anzeige der Diagonalelemente von R i - 1 .
Beispiel Gesucht sind in [h;Ch~ten~ 1N] = 5 Schritten mit der Toleranz der Matrix A = 2
6
-3 .
002
€
= 0.001 die Eigenwerte
72
3 Iteration
Anmerkungen
Eingabe
Anderung der Speicherbereichsverteilung
3
Taste
Anzeige
2nd Op
17
719.29 0
CLR Magnetkarten einlesen (Block 1,2,3)
3
Programmbeginn Eingabe von:
A
3 1 2 3 4 5
0 -1 -3 2
R/S R/S R/S R/S R/S R/S R/S R/S R/S R/S
7 8 9 10
B
10
3 15 5 0.001
R/S R/S R/S R/S
3 15 5
k
15
a11 a21 a31 a12 a22 a32 a13 a23 a33 Ende der Koeffizienteneingabe
6
Eingabe von:
2 0 2
6
n k N €
Anzeige von:
A1 A2 A3
R/S R/S
6
7.878787879 4.121212121 2
Die exakten Eigenwerte sind A1 = 8, A2 = 4, A3 = 2.
Programm 3.3
Der LR-Algorithmus
2nd Op 17 3 -000 001 002 00:;: 004 005 006 007 008 009 010 011
76
11 91 42 00 01 42 01 4'-' 01 91 72 ~
LBL A
F.' . ·C,-' STD ",
00 1
STD 01
RCL 01
R/S ST*
012 01:3 014 015 016 017 01B 019 020 021 022 023
00 00 01 1 44 ~:;Ut'l 00 00 44 ~:;Ut'l 01 01 61 GTO 00 00 O'='.... 0:::
7Eo LBL
12 B 91 F.: . . . S
024 025 026 027 02B 029 030 031 032 0:C:3 034 0:35
42 00 42 09 91 42 01 42 03 91 42 02
STO 00
STO 09
R. ···S STO 01
STO 03
F.'.....··C'-'
STO
02
036
0:37
0:38
039 040 041 042 043 044 045 046 047
91 F.: . ···S 42 ~::;r 0 12 1':''71£. LBL
22 I t·1V 4'-'." F.:CL 00 00 42 ~:;TO 08 OB 76 LBL .-, ,-, c...~
7:3
Lt·1:'' ; RC*
73
3.3 Der LR-Algorithmus 04::: 049 050 051
052 05:;:
054 055 056
057 05:::
059 060 061 062 06:3 064 065 066 067 06::: 069 070 071 072 073
074
075 076 077 07::: 079
080
0:::1
082
0:::3 0:::4 0:::5 0:::6 087 OE::::
089 090 091 092 093
094
0'35 096
(1'37 (1'38
099 100 101 102 1 O:~:
104 105 106 107
10:::
109
0:3 03 50 1::;
43 PCl 11 11
77 00
GE 00
110 111 112 113
114
115
116 117
11:::
119 120
121
122 123
69 00
69 0
124
11
11
00
00
127 12::: 129 130
42 STO
61 GTO
00 0 42 STO
11 11 97 DSZ 09 09 22 It-l','"
42
11 76
~;TO
11
lBL 24 CE 4·3 PCl
125
126
131 132 133 134 135 136 137 138
139 140
141 142 143 144
00 75 01 95
00
04
04
149
01 01 42 STD 05 + 01 1
151
42 STO
43 PCl
'35
42 STO o:~: 03
00 0 :;:2 ~~z
420 421 422 42:3 424 425
426 427 428 429 430 431
432
433 434 4:;:5
4%
437 438 439 440 441 442
44:;: 444 445 446 447 448 449 450 451
452 453
454 455 456
457
458 459 460 461 4E,2 46:;: 464 4t,5
STO
03
RCL 00 STD
04 +
RCL 00
X2
=
STD
466 467 468 469 470 471 472 473 474 475
476 477 478
479 480 481
05 01 42 06 42 14 43 00 42 07 75
05
482
06
485
1 STD STD
14 RCL 00
STD
07
01
95
42 08 00
= STD
08 0
32 g:T 76 LBL
45 V:; 0 und die Hochst· zahl N von Iterationen. Das Programm bricht bereits nach weniger als N Schritten ab, wenn IXj+1- x ;I 0 und die Hochstzahl N von Iterationen. Das Programm bricht nach weniger als N Schritten ab, wenn
Iql < €
ist.
Beachte: ao ist der Koeffizient von An!
Programminstruktionen Verfahren
Eingabe
Taste
1 Magnetkarte einlesen (Block 1)
2 Programmbeginn 3 Eingabe von n, €, ao, ... , an
1 A
1 n
ao al
R/S R/S R/S R/S
an
R/S
n+1
B
n+1
n €
4 Ende der Koeffizienteneingabe
5 Eingabe von
Ao
und N
Ao N
6 Ergebnisanzeige
Registerinhalte Roo, ... , R07: Programmzeiger Ros, ... , Rn+s: ao, a" ... , an
Anzeige
R/S R/S
0 1
2
Ao s
89
3.10 Einfache Nullstellen von Polynomen
Beispiel Gesucht sind die Nullstellen 51, 52,53 von pol(:\) =-:\3+3:\2+4:\-2 und den Startvverten :\01 = - 1, :\02 = 1, :\03 = 5 und
€
= 10- 10
Taste
Eingabe
Anmerkungen
Anzeige
Magnetkarte einlesen (Block 1)
1 A
Programmbeginn Eingabe von:
n
3 1 -10
€
ao a1 a2 a3 Ende der Koeffizienteneingabe
-1 3 4 -2
Eingabe von: :\01 N
-1 10
R/S EE R/S INV EE R/S R/S R/S R/S B R/S R/S
Anzeige von:
51 anderer Startwert Eingabe von:
B 1 10
:\02 N
R/S R/S B
5 10
:\03 N
R/S R/S
Anzeige von: 53
L L
F:
4 -1
-1.292401585 1
.3972950693 5 3.895106516
Einfache Nullstellen von Polynomen ~:;
[]
2
P
::;
.:;
::; 0
F:
L
::
L
.:;
::.::
0 1 2 3 4
.3972950693
52 anderer Startwert
Programm 3.10
o
-1.292401585
Anzeige von: Eingabe von:
1 3 1 00 00
C;
"LJ
::< L L
F:
.:
90
3 Iteration F' 42 "_
42 ': T
'~
05
0
22 I ri')
0
i
Dt,'3
04 01
071
05
Ut:,b
J67
C:, C
=i~i4 i 1-,-, .; .-,
,_ T"
C! 1 00
U
,-+.,.
;=; 4 D ;_!~.L
u44
0;
'_',
02 C'::' .:+ ~ F'F.:.Li
w i
U
;
DS? 4 _: F~CL Ci5;:; 04 04 05'? 44 ::: U['1 0600-:; Cl_
Od
Ub.:::
Cib::::
064
D65
4~:
02
4;
04
peL U,::. F'F.~D
04
7:3 PC+
44 ::;U
05
'=47
D':;:
074 D75
34
~
b
o
7
r,-:":'
D79 Deo
0:_
~
,:! :_ ,;:
.U
44 :,Ui'l
r!7'::'
C1 7
GE
4.
4~
0=
D2
;.;
F.::: L !-; :
:': It·~i; 49 F'FD D4 04 43 peL
,-, .-,
u.::.
U...::
04 u4 50 I·· 1
3.11 Das Verfahren von Bairstow Hat das reelle Polynom pol (A) = aOAn + a1 An - 1 + ... + an die komplexe Nullstelle Jl, so ist auch die zu Jl konjugiert komplexe Zahl Ji Nullstelle von pol (A) und (A - Jl) (A - Ji) ist ein reelles quadratisches Polynom A2 - u A - v, das sich nach dem Euklidischen Algorithmus von pol (A) abspalten laBt. Sind Uo und Vo Naherungen fur u und v in A2 - UA - v, so liefert das Programm verbesserte Naherungen U1 = Uo + ~u und V1=VO+~V. Beachte: ao ist der Koeffizient von An!
Programminstruktionen Verfahren
Eingabe
Taste
1 Magnetkarte einlesen (Block 1)
1 A
1 n
Uo Vo ao a1
R/S R/S R/S R/S R/S
an
R/S
2 Programmbeginn
3 Eingabe von n, Uo, Vo, ao, a" ... , an
4 Ende der Koeffizienteneingabe
Anzeige
n
Uo
0 1 2
n+l
B
5 Anzeige von U1 und V1 R/S
U1 V1
3.11 Das Verfahren von Bairstow
91
Registerinhalte Roo, ... , R10: Programmzeiger R11 , ... , Rn+ 11 : ao, ... , an Rn+ 12 , ... , R3n + 13 : Zwischenergebnisse
Bemerkung Das Verfahren ist nicht auf Paare konjugiert komplexer Nullstellen beschrankt.
Beispiel Die Naherung des quadratischen Faktors ",•.,.2 -
UoA. - Vo '" A.2 - 1.8 A. - (- 2.3)
von soli verbessert werden.
Anmerkungen Magnetkarte einlesen (Block 1) Programmbeginn Eingabe von: n Uo Vo ao a1 a2 a3 a4 Ende der Koeffizienteneingabe Anzeige von: U1 V1 Es ist u '" 2 und v'" - 2.
Eingabe
4 1.8 -2.3 1 -1 -6 14 -12
Taste A R/S R/S R/S R/S R/S R/S R/S R/S B R/S
Anzeige 1 1 4 1.8 0 1 2 3 4 5 1.941934625 -1.983128031
92
3 Iteration
Programm 3.11 l L p ::; ::; 0
Das Verfahren von Bairstow 054 055
F: ::; ::; 0
056 057 05S 059 Cl60
P ::;
061 062
o
::; 0 2
06:c: 064
065
D3
1-1:=:
7'c: F:C*
i
0'3 10
05
22 I t·~\,i 44 ~:;Ut'1 03 03 00 (I 72 ::;T *
03 01
0::: 1
02 2 42 ::;TO 05
05
L L
071 072
02 2 65 43 PCl DO 00 :::5 + 01 1 04 4
,:':,
D73
'35
::; 0 4
P L
4
4
C;
l
0 l
F: l
(I
066 067 06::: 069 070
03 01
074
075 076 077 07:::
079 0:::0 0::: 1
0:::2 OB3
0:::4
085
0:::6 0:::7
0:::::: 0:::9 090 0'31
092
0'33
094
D95 096 097 09:::
099 100
P l
1
101 102 10:::: 104105
106 107
42 ::;TO 07 07 00 0 72 ~:;T* 07 07 43 pel 07 07 :::5 + 01 1 95 42 sro
OB :::5
01 95 42 09 DO 72 0::: 76 34 43 02 65
0::: +
1
::;TO 09 0 ::;T * 0:::
lBl
n
': 7:3 F:C*
95
BE. 87
03
05
44 07
97
01
04
05
07 01
04
:::1
:::::::
:3:::
I"
.")
65 4~:
00
PCl 00
75
01
42
~:;
0 ::::
4'")." P l
2:::9
02
2'jCi
:35
2'31 292 293 2'34
295 296 2'37
29:::
29'3
300 :301 :::::02 30:3 :304 :305 :306
01
02
+
'35
42 '-''7''n .:. ! w 04 04 76 lBl 24 CE -,.-, !" .;,.
04 '31 01 44 04 '37 03 24 '31
PC* 04
p . . . ::;
1 ::;1.11'1
04
D::;: 0::::
CE
F.: ..... ::;
104
4 Interpolation und diskrete Approximation
4.1 Lagrange-Interpolation Zu gegebenen Stiitzstellen xo, ... , Xn bilden die Lagrange-Polynome
I j (x) =
(x-xo) ... (X-Xj_1) (X-Xj+1) ... (x-x n) (Xj-xo) ... (Xj-Xj-1) (Xj-Xj+1) ... (Xj-x n)
-:---~--;----'---'--:-::--......:.........:.-.;---;--~
eine Basis im Vektorraum der Polynome bis zum Grad n. Es ist I-(Xk) = O.k = { 1 fiir i = k I I 0 i *k Sind zu den Stiitzstellen xo, ... , Xn Stiitzwerte fo, ... , fn gegeben, dann hat das Interpolationspolynom durch die Knoten (Xj, f j) die Form (*)
pol(x)=fo·lo(x)+ ... +fn·ln(x),
dennesist
L 'f j . Ij (Xk) = L f j · Ojk = fk . n
pol (Xk) = j
=0
n
j
=0
Das Programm liefert den Wert des Interpolationspolynoms an der Stelle x durch Auswerten von (*).
Programminstruktionen Verfahren
Eingabe
Taste
1 Magnetkarte einlesen (Block 1)
1
2 Programmbeginn
3 Eingabe von n, xo, ... , Xn, fo, ... , fn
4 Ende der Koeffizienteneingabe 5 Eingabe von x 6 Ergebnisanzeige
Anzeige
A
1
n Xo
R/S R/S
0 1
Xn fo
R/S R/S
n+1 n+2
fn
R/S
2n+2
B
2n+2
x
R/S pol (x)
4.1 Lagrange-Interpolation
105
Registerinhalte Roo •... , R06: Programmzeiger R07 , ... ,R n+ 7 : Xo,···,x n R n+ 8 •... , R2n + 8 : fo •...• fn R2n + 9 , ...• R3n + 9 : Zwischenergebnisse
Bemerkungen 1. Die Schritte 4 bis 6 der Programminstruktionen lassen sich mit beliebig vielen Argumenten x wiederholen;
2. Wird x = Xi (also eine der Stiitzstellen) als Argument eingegeben, so halt das Programm und der Rechner zeigt dies durch eine blinkende Anzeige an.
Beispiel Das durch die Tabelle
Xi
0
2
gegebene Interpolationspolynom 8 5 4 Stellen X = 3 und x· = - 1 ausgewertet werden. fi
Anmerkungen
Eingabe
Taste
Magnetkarte einlesen (Block 1) A
1
0 1
2 8 5 4 3
R/S
2
Xo X1 x2 fo f1 f2
0 1
Ende der Koeffizienteneingabe X
Anzeige von:
pol (x)
B
anderes Argument Eingabe von:
x·
Anzeige von:
pol (x')
Anzeige
R/S R/S R/S R/S R/S R/S R/S
n
Eingabe von:
an den
1
Programmbegi nn Eingabe von:
5011
B
-1
2 3
4 5 6 6
5 5
R/S
13
106
I
4 Interpolation und diskrete Approximation
Programm 4.1
CiDO 001
002 C10:::~
004 005
uut:
OD7
00::;
OD'?
76 LE:L .i. 1.
9 i p./::: 42 ~:;TIJ
00 07 01
00
012
:3J
014 016 017
020 021 022 024
025 026 027 02'3
02
01 01
0:::::::
OJ9
040
0
u.:::
1,-'2
D2
01
U41
042 044 045
046
u4(
04:::
04'3 C1SO 051
052
053 054
055 056 057
05::; 05'?
44 '::un 01 01 44 :::Ut'l
060
61
064 OE,5
02
02
GTG
7t':, LBL
12
91
E:
p./:::
42 3TO
06
06
00
01] +
4:::: pel
01
037
01
76 lE:l
:::5 035 036
"7
42 ::;TO
02
011
00
42 ::;TO
10
i=i
H
Lagrange-I nterpolation
'35
42 :::TO
01 01 4:::: pel
00
65 02
00
2
061
062 063 066
:::5
09 95
+
42 :::TiJ 03 lJ:3 07 42 ::;TO D4 04
76 LEL 34 r::·:: 4:3 F.:CL
00
:::5 01
CO
+
95
42 :::TO
02
Oi
03
07
02
0:::: "7
42 :::TO 05 05
76 lE:l "_I.,:'
73 PC* 04 04
070
73 Re* ,-,I:"
DE,'?
071
072
073
D74
075 076 077 07:::
05
0:::5 0:::6
u,_,
EO E' 64 PD*
97 II::;: 02 02
1 ,:,:,,_!
pel
+ 09 'j 95 42 :::TO
129 1::::D
03 00
43
06
0:::9 0'30
73 PC* 04 04
091
54
094
03
095
65 7::::
F.'e* D3
95
EO
67
0'3::: D'39 100 101
:35 1,/::
:
43 PCl
01 ..,'" 01
01
05 95
359 ::::60 ::::61 :362 363 364
5
36'3 370 371 372
::::7::::
375 376 :377 ::::7'3
3:::0
::::::: 1
;' '-!
93
3:::4
67 Ec'i 35 1."'-::-:; 4:::: PCl
01
01
03
3
95 67 42 61 9'0' 76 34 43 04 65 02
42 EC.i
::;TD GTD
PFT lE:l
n:
F~Cl
04
:3:::5
3:::7
:::::::'3
3'0'0 391
::::92 :~:9::::
:~:95
::::96
:3'37 J9;:; ::::9'3
400 401 402
40:::;
2 75 4:::: PCl 05 05
404
05 :::5
5
40'3
+
06
06
411 412
.,:,._! (
36:::
43 F"Cl 03 0::::
01 67 34
::::56
366 367
06
91 76 19 43
354 355
:365
01
95
351 352 353
35:::
:::5 + 4:::: F':Cl E,5
340 341 342 343 344 345 346 347 34::: 349 350
65 04
4
91 p . . . ::; 76 lBl 4::: PCl 04
04
43 f;'Cl
05
05
43 pel 06 06
:::5
+
43 PCl 07 07 95
"'''' 0_1 0_;
02
2
43 PCl
03 0:3 33 :·";2 95
91 p.'::; 76 lEl
05
Ci5
i
._'
05
:::5
410
413
415
419 420 421 422 423 424 425 426 427 42::: 429
95
.:+
65 43 pel
40:::
406 407
"''''
43 f;:Cl 03 0::::
+
04
65 43 FCl
'i- 1 t,
0_10_1
94 + ..... -
::;5
405
43 PCl 07 07 95
~:;TD
4::: F:Cl D4 04
417 41::;
4:30
431 432 433 4::::4
4::::5 4::::6
4:37 4:::::::
439 440 441 442 443
444 445 446
447
06
Ot, +
02 2 65 43 FCl 07 U{ 95
4:::: f;'Cl 0:::: 0::::
95
91 76 15 43 04 94 85
p.>::;
lE:l E PCl 04
+.'+
65 43 pel 05 05 65 43 pel Of, 06 :::5 + 43 pel 07 07
43 PCl 03 03 4:::: F:Cl
03
95
G:::;
135
5.2 Sehnentrapezsumme
5.2 Sehnentrapezsumme b
Ais Niiherung fur den Wert
Sf (x) dx benutzt man die Sehnentrapezsumme SN, die man a
durch Aufteilen des Intervalls [a, b] in 2N Teilintervalle erhiilt. Es ist SN=
b~+~ (f(a)+f(b)+2 2~lf(a+ib~a)).
2
2
i= 1
Die Funktion f wird als Unterprogramm eingegeben. Dabei ist folgendes zu beachten: 1. Die Funktionsvorschrift ist in Klammern einzuschlieBen. 2. Fur x ist RCL 00 zu setzen. 3. Die Taste -= darf nicht verwendet werden. 4. Die Eingabe der Funktionsvorschrift ist mit INV SBR abzuschlieBen.
Programminstruktionen Verfahren
Eingabe
Taste
1 Magnetkarte einlesen (Block 1)
1
2 Eingabe der Funktionsvorschrift fIx)
GTO x2 LRN (
)
INV SBR LRN
3 Programmbeginn 4 Eingabe von a, b und N
a b N
5 Ergebnisanzeige
Roo, ... , R06: Programmzeiger
Gesucht ist eine Niiherung fur I =
101 00 102 00
XXX 00 XXX 00 XXX 00 1
A
1
R/S R/S R/S
a b SN
Registerinhalte
Beispiel
Anzeige
1
S~ mit N = 3. 1 +x
a
2
136
5 Numerische Differentiation und Integration
Anmerkungen
Eingabe
Taste
Anzeige
Magnetkarte einlesen (Block 1)
1
Eingabe der Funktionsvorschrift
GTO x2 LRN
101 00 102 00 103 00 104 00 105 00 106 00 10700 108 00 109 00 110 00 111 00 112 00 112 00 1
( (
RCL 00 x2
+ 1 )
1/x )
INV SBR LRN Programmbeginn Eingabe von: a b N
0 1 3
A
1
R/S R/S R/S
0 1
Anzeige von: SN Es ist I
= arctan 1 = .7853981634
Programm 5.2 000 001 002 003 004 005 006 007
OOS
009 010 01 1 012 013 014 015 016
.7847471236
76 lE:l 11 A 29 CP 91 F:./S 42 STO
00 42 01 91 42 02 91 4'-'
00
~:;TO
01 F:./::; STD 02 I':./S or,'.;"" STD 03 00 0 42 ~:;TO 05 05
Sehnentrapezsumme 017 01 t: 019 020 021 022 02:::: 024 025 026 027
02:::
029 030 0::::1 032 03::::
..
71
~:; E: F:
.: :. oJ ,_,
I..''':'
44 05 43 02 4")'00 71
SUt'1 05 pel 02 STO 00 ::;E:F:
~:::::
~:: 73 F.:C;;
04
04
75 .,..., F.:C* I ,_,
0:3 54
0:3
55 c:::~,
I"
...1.,:..
4':' F.:CL 01 01 ,,J
75
01 54
',5 72 ST*
0:3 01 94 44 0:3 44 04 97 06 4:3 01 44 00 4':''-' 00 4'"'" 06
0:3 1
+,/ -
SUt'l 0:3
SUt'l 04
DSZ
06
F.:CL 1
SUt'l 00
F.:CL 00
STD 06
97 DSZ 05 05
42 STD 4:3 F.:CL 10 10 Q< F.:,/S -' ! 76 LBL
:34 ["'",", 42 STD 00 00 -,,I"
t,
:;:;~:
LBL
::-:;2
5 Numerische Differentiation und Integration
140
5.4 Das Eulersche Polygonzugverfahren Gegeben sei eine gewohnliche Differentialgleichung erster Ordnung mit Anfangsbedingung
v' =
f (x, V); V (a) = Va·
Gesucht ist V(b) = Vb. Die Grundidee des Polvgonzugverfahrens besteht darin, das Interval! [a, b] in n gleiche Teile zu teilen und die Losungskurve V(x) durch den Streckenzug mit den Ecken (x;,17;) zu ersetzen. Beim Eulerschen Polvgonzugverfahren ist b-a
Xk + 1 = Xk + -n-' 17k + 1 =17k
b-a
+ -n- f
Xo = a (Xk, 17k),
k
=0, ... , n -1.
Die Funktion f wird als Unterprogramm eingegeben. Dabei ist folgendes zu beachten: 1. 2. 3. 4.
a
b
Xi
Die Funktionsvorschrift f (x, V) ist in Klammern einzuschlieBen. Fur x ist RCL 00, fur V RCL Q1 zu setzen. Die Taste == darf nicht verwendet werden. Die Eingabe der Funktionsvorschrift ist mit INV SBR abzuschlieBen.
Programminstruktionen Verfahren
Eingabe
Taste
1 Magnetkarte einlesen (Block 1)
Anzeige 1
2 Eingabe der Funktionsvorschrift f (x, V)
GTO x2
LRN (
)
INV SBR LRN
3 Programmbeginn 4 Eingabe von a, b, Va und n
a b Va n
5 Ergebnisanzeige
048 00 049 00 XXX 00 XXX 00 XXX 00 1
A
1
R/S R/S R/S R/S
a b Va 17 n
141
5.4 Das Eulersche Polvgonzugverfahren
Registerinhalte Roo, ... , R04 : Programmzeiger
Beispiel Gegeben ist die Anfangswertaufgabe V' Niiherung fur V (1.5) gefunden werden.
=~, V(1) =
2. In n = 10 Schritten 5011 eine
Taste
Eingabe
Anmerkungen
Anzeige 1
Magnetkarte einlesen (Block 1) Eingabe der Funktionsvorschrift f (x, V)
GTO x2 LRN
048 049 050 051 052 053 054 055 056 056
(
RCL 00
RCL 01 )
INV SBR LRN A
Programmbeginn Eingabe von: a b
1 1.5 2 10
Va
n Anzeige von: 1'1n Es ist V =
I
Jx
2
000 001 002 003 004 005 006 007 00::: 009 010 011
7':. L8l 11 A
91 42 00 91 42 04 '31 42 01 91
F.:/S STD 00 F:.····S STO 04 F.:./S STO 01 R.····S
1
R/S R/S R/S R/S
1 1.5 2 2.287646401
+3 und V(1.5)
Programm 5.4
00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 1
= 2.291287847
Das Eulersche Polygonzugverfahren 012 01:3 014 015 016 017 01::: 019 020 021 022 02::::
42 03 4:3 04 75 43 00 95 55 43 03 95
STO 03 F:Cl 04 F.:Cl 00 F.:Cl 03 =
024 025 02':, 027 028 029 030 031 032
0:;:3
034 035
4·:-::
4-:> RCL 04 04 55 06 6 95 = 44 SUt'1 06 06 4':' RCL 06 06 42 sro ~,
~,
05 05 97 DSZ
0'"'-' 0:3 12 B 4'-'.::J F:CL 06 06 91 R/S 76 LBL 3:3 :: 0 eine vorzugebende Toleranzschranke ist. Das Programm verwendet die beiden folgenden Verfahren F 2 , F3: 17j + 1 = 17j + F2 (Xi' 17j)
p"" 2:
1 2(fa +f 1 )
mit
F2
und
fo == h' f(x i, 17 j), f1
p =3:
""
= h' f(x i + h,
17i + h' fa)
17i+1 == 17i + F3 (x j, 17 i) mit
1 F3= S(fa +f 1 +4f 2 )
und
fo = h 'f(x i, 17j), f1"" h'f(x j + h, 17j + h -fa) ,
f2,,"h'f(Xj+~, 17j+~(fo+f1))
.
Dabei ist Xj "" Xj-1 + hj' Die Funktion f wird als Unterprogramm eingegeben. Dabei ist folgendes zu beachten: 1_ Die Funktionsvorschrift f (x, y) ist in Klammern einzuschlieBen.
2. Fur X ist RCL 00, fur y RCL 01 zu setzen. 3. Die Taste:: dart nicht verwendet werden. 4. Die Eingabe der Funktionsvorschrift ist mit INV SBR abzuschlieBen.
5 Numerische Differentiation und Integration
148
Programminstruktionen Eingabe
Verfahren
Taste
Anzeige 2
1 Magnetkarte einlesen (Block 1,21 2 Eingabe der Funktionsvorschrift f(x, yl
GTO x2 LRN (
I INV SBR LRN
3 Programmbeginn 4 Eingabe von a, b, Va' ho, e, p
a b Ya ho
e p 5 Ergebnisanzeige
241 00 242 00 XXX 00 XXX 00 XXX 00 2
A
2
R/S R/S R/S R/S R/S R/S
a b Ya ho
e 7'l n
Registerinhalte Roo, ... , ROg: Programmzeiger R 10 , R1h R 12 : fo, fh f2
Bemerkung Soli ein anderes Paar von Runge-Kutta-Verfahren Fp, Fp+1 verwendet werden, so sind diese als Unterprogramme ~' und ~ zu programmieren (die im Programmausdruck angegebenen Unterprogramme sind dann selbstverstiindlich wegzulassenl. Dabei ist zur Auswertung der Funktion f der jeweilige x-Wert in Roo, der jeweilige v-Wert in R01 zu speichern; h ist in R05 , Xj in R02 und 7'lj in R04 gespeichert. Die Funktionsvorschrift f(x, yl ist als Unterprogramm x 2 zu programmieren.
Beispiel x
Gegeben ist das Anfangswertproblem y' = y' Y(11 = 2. Gesucht ist eine Niiherung fur y (1.51 mit ho =0.1 und e = 10- 5 .
149
5.7 Einschrittverfahren mit Schrittweitensteuerung
Anmerkungen
Eingabe
Taste
Anzeige
2
Magnetkarte einlesen (Block 1, 2) Eingabe der Funktionsvorschrift fIx, y)
GTO x2 LRN
241 242 243 244 245 246 247 248 249 249
(
RCL 00 RCL 01 )
INV SBR LRN
a
1 1.5
b
RIS RIS
1 1.5 0.1 0.00001
Ya
2
ho E
0.1 0.00001
RIS RIS RIS
p
2
RIS
Anzeige von: 11
Programm 5.7 000 001 002 00:;: 004 005 006 007 00:3 n09 10 11 12 1·-'.::.. 14 15 16 17
1:::
19
120
{ 1:.
11 91 4·")'00 42 02 91 4·")'03 91 42 01 42 04 91 4·")'05
LBL A
R/S STO 00
sro 02
R. . . S sro 03
R. . . S :3rc 01
sro 04
R/S STO 05
91 F.:.····s 4·")'- sro 06 06
2 2
A
Programmbeginn Eingabe von:
00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
2
2.291291758
Einschrittverfahren mit Schrittweitensteuerung 021
022
023 024
025
026 027 028 029 030 031
0:32 0:3:3
034
035
036 0:;:7 0:38
039 040 041
91 R. . . S 01:"
,-1._1
+
01 1 95 42 sro 07 07
CP ( t· LBL 22 I t·lV 43 RCL 2'3
02 02 :::5 + 4·:'._' F.:CL 05 05
75 4·:'._' F:CL
0·:'._' 95
03
2~:
Lt·l>':
22 I t·l ', . 77 GE
042 04:;: 044 045 046 047 048 049 050 051 052 053 054 055 056
057 058 059 060 061 062
43 RCL 0-:'._' 0·")._' "'1:" f·_I
43 RCL 02 02 gl:" _ oJ = 42 sro 05 05 76 LBL 2:3
L~l: