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| author | martial.simon <martial.simon@epita.fr> | 2025-04-13 19:54:19 +0200 |
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| committer | martial.simon <martial.simon@epita.fr> | 2025-04-13 19:54:19 +0200 |
| commit | 66c3bbfa94d8a41e58adf154be25e6d86fee8e30 (patch) | |
| tree | 9c5e998f324f2f60c1717759144da3f996c5ae1a /PVCM/cama/fr/ma42 Surrelaxation pour Gauss-Seidel -- Exercice.ipynb | |
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| -rw-r--r-- | PVCM/cama/fr/ma42 Surrelaxation pour Gauss-Seidel -- Exercice.ipynb | 336 |
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diff --git a/PVCM/cama/fr/ma42 Surrelaxation pour Gauss-Seidel -- Exercice.ipynb b/PVCM/cama/fr/ma42 Surrelaxation pour Gauss-Seidel -- Exercice.ipynb new file mode 100644 index 0000000..bb2a484 --- /dev/null +++ b/PVCM/cama/fr/ma42 Surrelaxation pour Gauss-Seidel -- Exercice.ipynb @@ -0,0 +1,336 @@ +{ + "metadata": { + "kernelspec": { + "display_name": "Python 3 (ipykernel)", + "language": "python", + "name": "python3" + }, + "language_info": { + "codemirror_mode": { + "name": "ipython", + "version": 3 + }, + "file_extension": ".py", + "mimetype": "text/x-python", + "name": "python", + "nbconvert_exporter": "python", + "pygments_lexer": "ipython3", + "version": "3.8.10" + } + }, + "nbformat": 4, + "nbformat_minor": 2, + "cells": [ + { + "cell_type": "markdown", + "metadata": { + "lang": "fr" + }, + "source": [ + "# Exercice ma21" + ] + }, + { + "cell_type": "code", + "execution_count": null, + "metadata": {}, + "outputs": [], + "source": [ + "import numpy as np\n", + "import numpy.linalg as lin\n", + "import matplotlib.pylab as plt\n", + "\n", + "%matplotlib inline\n", + "\n", + "np.set_printoptions(precision=3, linewidth=150, suppress=True)" + ] + }, + { + "cell_type": "markdown", + "metadata": { + "lang": "fr" + }, + "source": [ + "On va augmenter le rayon de convergence la méthode Jacobi amméliorée faite en TD à savoir la méthode de Gauss-Seidel.\n", + "\n", + "On étudiera sa convergence dans différents cas." + ] + }, + { + "cell_type": "markdown", + "metadata": { + "lang": "fr" + }, + "source": [ + "## Gauss-Seidel\n", + "\n", + "Lorsqu'on calcul le **x** suivant avec Jacobi on ne profite pas du fait que N est triangulaire\n", + "et donc qu'on connait la nouvelle valeur de $x_n$ lorsqu'on calcule $x_{n-1}$. Avec Gauss-Seidel\n", + "on utilise toujours la dernière valeur calculée ce qui accélère la convergence.\n", + "\n", + "Pour résumer Gauss-Seidel d'un point de vu matriciel on a :\n", + "\n", + "* D = la matrice diagonale extraite de A : `D = np.diag(np.diag(A))`\n", + "* L = la matrice stritecement triangulaire inférieure de A : `L = np.tril(A, -1)`\n", + "* U = la matrice stritecement triangulaire supérieure de A : `U = np.triu(A, 1)`\n", + "\n", + "et une itération est donnée par la formule suivante :\n", + "\n", + "$$\n", + "(D + L)\\, {\\bf x}^{k+1} = -U\\; {\\bf x}^k + {\\bf b}\n", + "$$\n", + "ou\n", + "$$\n", + "{\\bf x}^{k+1} = D^{-1} \\, ( -L\\, {\\bf x}^{k+1} - U\\; {\\bf x}^k + {\\bf b})\n", + "$$\n", + "c.a.d.\n", + "$$\n", + "\\begin{bmatrix}\n", + "x_{1}^{k+1} \\\\\n", + "x_{2}^{k+1} \\\\\n", + "\\vdots \\\\\n", + "x_{n}^{k+1} \\\\\n", + "\\end{bmatrix}\n", + "=\n", + "\\begin{bmatrix}\n", + "1/a_{11} \\quad 0 \\quad \\ldots \\quad 0 \\\\\n", + "0 \\quad 1/a_{22} \\quad \\ldots \\quad 0 \\\\\n", + " \\vdots \\\\\n", + "0 \\quad 0 \\quad \\ldots \\quad 1/a_{nn} \\\\\n", + "\\end{bmatrix}\n", + "\\;\n", + "\\left(\n", + "\\;\n", + "-\n", + "\\begin{bmatrix}\n", + "0 \\quad 0 \\quad \\ldots \\quad 0 \\\\\n", + "a_{21} \\; 0 \\quad \\ldots \\quad 0 \\\\\n", + " \\vdots \\\\\n", + "a_{n1} \\, a_{n2} \\; \\ldots \\quad 0 \\\\\n", + "\\end{bmatrix}\n", + "\\;\n", + "\\begin{bmatrix}\n", + "x_{1}^{k+1} \\\\\n", + "x_{2}^{k+1} \\\\\n", + "\\vdots \\\\\n", + "x_{n}^{k+1} \\\\\n", + "\\end{bmatrix}\n", + "-\n", + "\\begin{bmatrix}\n", + "0 \\; a_{12} \\; \\ldots \\; a_{1n} \\\\\n", + "0 \\quad 0 \\; \\ldots \\; a_{2n} \\\\\n", + " \\vdots \\\\\n", + "0 \\quad 0 \\; \\ldots \\; 0 \\\\\n", + "\\end{bmatrix}\n", + "\\;\n", + "\\begin{bmatrix}\n", + "x_{1}^k \\\\\n", + "x_{2}^k \\\\\n", + "\\vdots \\\\\n", + "x_{n}^k \\\\\n", + "\\end{bmatrix}\n", + "+\n", + "\\begin{bmatrix}\n", + "b_{1} \\\\\n", + "b_{2} \\\\\n", + "\\vdots \\\\\n", + "b_{n} \\\\\n", + "\\end{bmatrix}\n", + "\\; \\right)\n", + "$$\n", + "\n", + "Notons que je peux mettre $L\\, {\\bf x}^{k+1}$ à droite du signe égal\n", + "si je résoud mon système ligne par ligne en commencant par le haut puisque dans\n", + "ce cas les ${\\bf x}^{k+1}$ utilisés sont connus. C'est ce qu'on a fait lors du dernier TP.\n", + "\n", + "### Surrelaxation de Gauss-Seidel\n", + "\n", + "Comme on a fait avec Jacobi, on introduit de l'inertie avec $w$ :\n", + "\n", + "$$\n", + "{\\bf x}^{k+1} = w \\, D^{-1} \\, ( -L\\, {\\bf x}^{k+1} - U\\; {\\bf x}^k + {\\bf b}) + (1-w) \\; {\\bf x}^k\n", + "$$\n", + "\n", + "Vérifiez que l'on arrive à l'écriture matricielle suivante :\n", + "\n", + "$$\n", + "\\left(\\frac{D}{w} + L\\right)\\, {\\bf x}^{k+1} = \\left(\\frac{1-w}{w} \\, D - U\\right)\\; {\\bf x}^k + {\\bf b}\n", + "$$\n", + "\n", + "Écrit ainsi on voit que cette méthode consiste à avoir les éléments de la diagonale des 2 cotés de l'égalité.\n", + "On peut interpréter cela comme un avantage lié à une meilleure répartition de l'information contenue dans la matrice (à tester pour savoir)." + ] + }, + { + "cell_type": "markdown", + "metadata": { + "lang": "fr" + }, + "source": [ + "### Programmons Gauss-Seidel surrelaxé\n", + "\n", + "On écrira deux fonctions :\n", + "\n", + "* `solve_triangular(L,b)` qui retourne la solution de L **x** = **b** lorsque L est triangulaire inférieure\n", + "* `gauss_seidel_r(A, b, x0, w, n)` qui fait `n` iteration de Gauss-Seidel en démarrant à `x0` avec `w` le coefficient de relaxation donné en argument. \n", + " Cette fonction retourne un tableau des valeurs de **x** calculées (donc tableau en 2D).\n", + " \n", + "Comme toujours, attention à limiter les `for` et à faire le plus possible d'opérations vectorielles et matricielles." + ] + }, + { + "cell_type": "code", + "execution_count": null, + "metadata": {}, + "outputs": [], + "source": [] + }, + { + "cell_type": "code", + "execution_count": null, + "metadata": {}, + "outputs": [], + "source": [] + }, + { + "cell_type": "code", + "execution_count": null, + "metadata": {}, + "outputs": [], + "source": [ + "np.random.seed(123)\n", + "A = np.random.randint(10, size=(4,4))\n", + "b = A.sum(axis=1)\n", + "x0 = np.random.random(4)\n", + "\n", + "res = gauss_seidel_r(A, b, x0, w=0.2, n=100)\n", + "print(res[-1])" + ] + }, + { + "cell_type": "code", + "execution_count": null, + "metadata": {}, + "outputs": [], + "source": [ + "def plot_convergences(values, result):\n", + " error = np.square(values - result).sum(axis = -1) / np.square(result).sum(axis=-1)\n", + " error2 = np.square(np.diff(values)).sum(axis = -1) / np.square(values).sum(axis=-1)\n", + " fig, (ax1, ax2) = plt.subplots(1, 2, figsize=(14,4))\n", + " ax1.plot(range(len(error)), error)\n", + " ax1.set_title('Erreur absolue normalisée')\n", + " ax1.semilogy();\n", + " ax2.plot(range(len(error2)), error2)\n", + " ax2.set_title('Erreur relative normalisée')\n", + " ax2.semilogy()\n", + " print(\"Itération du minimum :\",np.argmin(error), np.argmin(error2))" + ] + }, + { + "cell_type": "code", + "execution_count": null, + "metadata": {}, + "outputs": [], + "source": [ + "plot_convergences(res, np.ones(4))" + ] + }, + { + "cell_type": "markdown", + "metadata": { + "lang": "fr" + }, + "source": [ + "Est-ce que la méthode de Gauss-Seidel non relaxée converge dans ce cas ?" + ] + }, + { + "cell_type": "code", + "execution_count": null, + "metadata": {}, + "outputs": [], + "source": [] + }, + { + "cell_type": "markdown", + "metadata": { + "lang": "fr" + }, + "source": [ + "### Le bon cas\n", + "\n", + "Trouver un `seed` qui permet de générer un cas qui ne converge pas avec Gauss-Seidel de base mais qui \n", + "converge avec la relaxation ($w=0.2$)." + ] + }, + { + "cell_type": "code", + "execution_count": null, + "metadata": {}, + "outputs": [], + "source": [] + }, + { + "cell_type": "markdown", + "metadata": { + "lang": "fr" + }, + "source": [ + "Tracer les courbes de convergence pour le cas retenu avec et sans relaxation." + ] + }, + { + "cell_type": "code", + "execution_count": null, + "metadata": {}, + "outputs": [], + "source": [] + }, + { + "cell_type": "code", + "execution_count": null, + "metadata": {}, + "outputs": [], + "source": [] + }, + { + "cell_type": "code", + "execution_count": null, + "metadata": {}, + "outputs": [], + "source": [] + }, + { + "cell_type": "markdown", + "metadata": { + "lang": "fr" + }, + "source": [ + "### Étude de $w$\n", + "\n", + "Toujours dans notre cas retenu,\n", + "indiquer quel est l'intervale de\n", + "valeurs de $w$ qui garantit la convergence pour notre système matriciel A **x** = **b** avec toujours le même `x0` \n", + "et un nombre d'itérations à déterminer.\n", + "\n", + "Trouver la valeur optimiale de $w$ pour converger le plus rapidement pour ce cas. \n", + "\n", + "La précision demandée pour l'intervale et la valeur optimale est de $10^{-2}$." + ] + }, + { + "cell_type": "code", + "execution_count": null, + "metadata": {}, + "outputs": [], + "source": [] + }, + { + "cell_type": "code", + "execution_count": null, + "metadata": {}, + "outputs": [], + "source": [] + } + ] +}
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