Hello, dear friend, you can consult us at any time if you have any questions, add WeChat: daixieit

Miniproject – Numerical Linear Algebra – 3NMNLA(4)

1. Let G e Rn×n  satisfy ρ(G) < 1. Define

k-1

Sk  =       Gj .

j=0

(a) Show that I - G is invertible. (b) Prove that

Sk  = (I - G)-1 (I - Gk ).

(c) Let v0 , g e Rn  be given and consider the recurrence

vk+1 = Gvk + g.                                                                  (1)

Define wk  = g for all k e N and zk  = v(w)k(k) . Using (1) and the definition of wk, show that

zk+1 = Hzk ,

where H e R2n×2n  is a 2-by-2 block matrix that you should identify.

(d) Using the above recurrence for zk, show by induction that for all k e N

zk  =  z0 .

Deduce that

lim vk  = (I - G)-1 g.

[20]


2. Let M, K e Rn×n  and f e Rn. The solution u(t) to the system of initial value problems

du

dt

is approximated at time tk  := kh, (k e N) by a sequence Uk  generated by approximating the time derivative using a finite difference method:

 = F(Uk),     U0 = u0 .                                                      (2)

The parameter h > 0 is called the time-step and the above recurrence is known as the explicit Euler’s method.

(a) Write recurrence (2) as a two-term recurrence in Uk  in the form (1), for a matrix G and vector g which

you should specify in terms of M, K, f and h.

(b) Consider the generalised eigenvalue problem

Kxi = µiMxi ,                                                                    (3)

where M, K are assumed to be large, sparse, symmetric and positive-definite.

i.  Show that µi  are real and positive for all i.

ii.  Show further that ρ(G) < 1 if and only if h < hmax  for a value hmax  which you should specify in terms of the eigenvalues µi  in (3).

(c) Let h < hmax. Using the results from Q1, find the limit  lim Uk .

[12]


3. To implement efficiently recurrence (2), we re-write it in the form

MUk+1 = (Uk),     U0 = u0 ,                                                           (4)

where  is a function which you should specify in the comments for your code described below.

Write a Matlab function eulermini to implement explicit Euler’s method in the form (4), using a fixed time- step h = 0.8hmax, where hmax  is approximated by using a suitable eigenvalue solver of single iteration type. System (4) should be solved at every time step k using the preconditioned Steepest Descent method (PSD) with Uk -1  as initial guess and a tridiagonal preconditioner P comprising the main, sub- and super-diagonals of M . The input to eulermini should be K, M, u0 , f and the number of time-steps N (in this exact order), while the output should be

● a column vector v containing UN;

● the time-step h employed;

● a column vector k containing the number of PSD iterations required at every time step in order to bring the norm of the current residual divided by the norm of the initial residual below a tolerance τ = 10-6 .

Your file should contain all necessary files included as local functions (subfunctions). In particular, note that         you should derive and include the eigenvalue solver used for estimating h.                                                            [18]

ko↓es on ↓he mNrk之nk proaecüre

Questions 1,2 You should ensure that you state clearly any results you use; you should also reference these results, by indicating where they can be found (e.g., typed lecture notes, example sheets, Matlab tasks etc).

Question 3 The following issues with the file eulermini.m may attract penalties:

● file does not use the suggested input and output as described in the question;

● file does not run due to incorrect syntax;

● file runs but output is incorrect;

● file does not contain the necessary local files;

● implementation does not follow a least complexity approach/principle  (e.g., generating a dense matrix inverse in order to solve a linear system etc.); performing unnecessary operations etc;

● file does not suppress unnecessary output;

● file does not contain comments/descriptions;

● file is partially or entirely identical to other submitted files.