sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

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     apitulo VI

    Sistema de Ecuaciones

     Algebraicas No Lineales

    ING. CRISTIAN CASTRO P.

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     Agenda• Planteamiento del problema

    • Método de Punto Fijo• Método de Newton

    • Variantes del método de Newton

    • Evaluación diferida del jacobiano

    • Aproximación por diferencias finitas

    • Newton unidimensional

    • Métodos cuasi-Newton (Broyden)

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    Introduccion• Se pretende que al final de la exposición el estudiante pueda

    reconocer los sistemas de ecuaciones no lineales y pueda

    resolverlos por medio de adaptaciones a los métodos Newton-

    Raphson e Iteración de Punto Fijo

    0).,..........,(.

    .

    .

    0).,..........,(

    0).,..........,(

    21

    212

    211

    nn

    n

    n

     x x x f  

     x x x f  

     x x x f  

    • La solución de este sistemaconsta de valores xi que

    simultáneamente hacen que

    todas las ecuaciones sean

    iguales a cero

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    Teoría de sistemas de Ecuaciones

    No lineales• La forma general de un sistema de ecuaciones no lineales es:

    f 1(x1, x2 x3, …, xn) = 0

    f 2(x1, x2 x3, …, xn) = 0f 3(x1, x2 x3, …, xn) = 0

    ....................................

    f n(x1, x2 x3, …, xn) = 0

    Definiendo una función F

    F(x1, x2 x3, …, xn) = [f 1(x1, x2 x3, …, xn),f 2(x1, x2 x3, …, xn),f 3(x1, x2 x3, …, xn) , f n(x1, x2 x3, …, xn)]

    Usando una notacion vectorial para representar las variables X1,X2,…,Xn ).El sistema puede representarse por F(x)=0

    La solución a este sistema es el vector X=[x1, x2 x3, …, xn]

    que hace que simultaneamente todas las ecuaciones sean igual a 0.

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    Teoría de sistemas de Ecuaciones

    No linealesMétodos de Solución :

    • Método de Iteración de Punto Fijo para sistemas deecuaciones no lineales (Método de punto fijo multi

    variable).

    • Método de Newton para sistemas de ecuaciones no

    lineales.

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    SISTEMAS DE ECUACIONES NO LINEALES

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    SISTEMAS DE ECUACIONES NO LINEALES

    f(x, y)=0

    g(x, y)=0

    x

    y

    x*

    y*

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    SISTEMA DE ECUACIONES NO LINEALES

    -2

    0

    2

    4

    6

    8

    10

    1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

    2x xy 10

    2y 3xy 57 (2, 3)

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    Notación

    f x x xf x x x

    f x x x

    f IR IR  

    x x f x x

    n

    n

    n n

    i

    n

    n i n

    1 1 2

    2 1 2

    1 2

    1 1

    00

    0

    ( , ,..., )( , ,..., )

    ( , ,..., )

    :

    ( ,..., ) ( ,..., )

    F x F IR IR  x x x f x f x

    n n

    n n

    ( ) :( , ... , ) ( ( ), ... ( ))

     

    01 1

    • Escalar 

    • Vectorial

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    Resolución iterativa• x(0) estimación inicial de la solución

    • Iteraciones: x(1), x(2), …, x(k)

    • Criterio de convergencia

    • | x(k+1) x(k) | < tol

    • Criterio de parada

    • k > maxiter 

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    Esquema del algoritmo• Entrada: f, x0, tol, maxiter 

    • Proceso• Inicializar incr, iter 

    • Mientras incr > tol & iter < maxiter 

    • Obtener x• incr = norm(x x0)

    • Actualizar x0, iter 

    • Salida: x, iter, incr • Si incr > tol no converge

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    Método de Iteración de Punto fijo para

    Sistemas de Ecuaciones no Lineales

    Anteriormente se desarrollo el método de iteración de punto fijo para resolver la ecuación f(x)=0 transfor-mando esta ecuación en una ecuación de la forma

    x= g(x),

    usando el criterio de convergencia

    |g’(x)|

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    Método de Iteración de Punto fijo para

    Sistemas de Ecuaciones no LinealesPara el caso de un conjunto de Ecuaciones No lineales

    utilizaremos un procedimiento similar extendiéndolo a

    todas las ecuaciones, usando un criterio de convergencia:Una condición suficiente aunque no necesaria,para asegurar la convergencia es que

    Para todos los puntos (x1,x2) de la región del

    plano que contiene todos los valores (x1k, x2k )y la raíz buscada.

    ||

    1

    1

     x g  ;1||

    1

    2  M  x g 

    ||

    2

    1

     x g  ;1||

    2

    2  M  x g 

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    Método de Punto Fijo• Punto fijo

    • Estimación inicial

    • Iteraciones

    • Criterio de paradax G x

    k k ( ) ( )

    ( )

    1

    x x xn( ) ( ) ( )( ,..., )0 10 0

    x x tol

    k k ( ) ( )

    1

    F x x G x( ) ( ) 0

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     Algoritmo de Punto Fijofunction [x,iter,incr] = pfijo(g,x0,tol,

     maxiter)

    iter = 0;

    incr = tol + 1;

     while incr > tol & iter < maxiter

    x = feval(g,x0);

    incr = norm(x - x0);

    iter = iter + 1;

    x0 = x;

    end 

    if incr > tol, disp(‘No converge’), end 

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    MÉTODO DE PUNTO FIJO EN

    SISTEMAS DE ECUACIONES NO LINEALES

    1. Considera la intersección de dos funciones no lineales f(x, y)

    =0 y g(x, y)=0.2. La intersección de las curvas f(x, y)=0 y g(x, y)=0 nos da la

    raiz (xr, yr).

    3. El método consiste en obtener las funciones que tengan las

    mismas raices (xr, yr):

    x-F(x, y) = 0

    y-G(x, y) = 0

    4. Considerar un valor inicial (x0, y0), como aproximación a la

    raíz, evaluar: x1=F(x0, y0) y1=G(x0, y0)

    5. El proceso se repite n veces hasta tener valores muy cercano

    s a las raíces.

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    Ejemplo• Sistema no lineal

    • Problema de Punto Fijo

    3 081 01 106 0

    20 10 3 1 0

    1 2 31

    2

    1

    2

    2

    2

    3

    31 2

    x x xx x x

    e xx x

    cos( )( . ) sen( .

    /

    x x x

    x x x

    x e   x x

    1 2 31

    6

    21

    9 1

    2

    3

    31

    20

    3

    106 01

    1 61 2

    cos( ) /

    sen . .

    ( ) /

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    x x x

    x x x

    x x x

    k k k 

    k k k 

    k k k 

    1

    1

    2 31

    6

    2

    1   1

    9 1

    1  2

    3

    3

    1   120 1

    1

    2

    1

    3

    1 06 0 1

    1 6

    ( ) ( ) ( )

    ( ) ( ) ( )

    ( ) ( ) ( )

    cos( ) /

    sen . .

    exp /

    • Punto Fijo con desplazamientos simultáneos

    • Punto Fijo con desplazamientos sucesivos

    x x x

    x x x

    x x x

    k k k 

    k k k 

    k k k 

    1

    1

    2 31

    6

    2

    1  19 1

    2

    3

    3

    1   120 1 2

    3

    106 01

    1 6

    ( ) ( ) ( )

    ( ) ( ) ( )

    ( ) ( ) ( )

    cos( ) /

    sen . .

    exp /

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    Código de la función

    function y=f(x)% Función para el método de punto

    % fijo con desplazamientos simultáneos

    y(1) = cos(x(2)*x(3))/3 + 1/6;

    y(2) = sqrt(x(1)^2+sin(x(3))+1.06)/9-0.1;

    y(3) = (1-exp(-x(1)*x(2)))/20 - pi/6;

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    Ejemplo 1: Desp. simultáneos

    Iter x1(k)

    x2(k)

    x3(k)

    0   0.10000000 0.10000000 -0.10000000

    1   0.49998333 0.00944115 -0.52310127

    2   0.49999593 0.00002557 -0.52336331

    3   0.5 0.00001234 -0.52359814

    4   0.5   3.41679E8   -0.52359847

    5   0.5   1.64870 E8   -0.52359877

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    Código de la función

    function y=f(x)% Función para el método de punto

    % fijo con desplazamientos sucesivos

    y(1) = cos(x(2)*x(3))/3 + 1/6;

    y(2) = sqrt(y(1)^2+sin(x(3))+1.06)/9-0.1;

    y(3) = (1-exp(-y(1)*y(2)))/20 - pi/6;

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    Ejemplo 1: Desp. sucesivos

    Iter x1(k) x2(k) x3(k)

    0   0.10000000 0.10000000 -0.10000000

    1   0.49998333 0.02222979 -0.523046132   0.49997747 0.00002815 -0.52359807

    3   0.5 3.762202E-8 -0.52359877

    4   0.5 5.028E-11   -0.5235987756

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    MÉTODO DEL PUNTO FIJO EN

    SISTEMAS DE ECUACIONES NO LINEALES

    iteració

    nx

    iy

    i err i

    1 1.5 3.5 ---

    2 2.0000 3.4480 0.5027

    3 1.8355 2.9875 0.4890

    4 2.0734 3.1319 0.2782

    5 1.9211 2.9428 0.2427

    6 2.0559 3.0626 0.1803

    7 1.9537 2.9572 0.1468

    8 2.0363 3.0365 0.1145

    9 1.9713 2.9721 0.0915

    2x xy 10 2y 3xy 57

    x = 2 y = 3

    xn=10/(x+y)

    yn=((57-y)/(3x))^(1/2)

    err=sqrt((xn-x)^2+(yn-y)^2)

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    MÉTODO DEL PUNTO FIJO EN

    SISTEMAS DE ECUACIONES NO LINEALES

    iteració

    nx

    iy

    i err i

    1 1.5 3.5 ---

    2 2.0000 2.9861 0.7170

    3 2.0056 2.9962 0.0116

    4 1.9993 3.0006 0.0077

    5 2.0000 3.0000 0.0010

    2x xy 10 2y 3xy 57

    x = 2 y = 3

    Variante Seidel

    xn=10/(x+y)

    yn=((57-y)/(3xn))^(1/2)

    err=sqrt((xn-x)^2+(yn-y)^2)

    Converge mas rápido!!!

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    MÉTODO DEL PUNTO FIJO EN

    SISTEMAS DE ECUACIONES NO LINEALESSin embargo, con el método del punto fijo, la convergencia dependede la manera en que se formulen las ecuaciones de recurrencia y de haber elegido valores iniciales lo bastante cercanos a la solución

    En las dos formulaciones siguientes el método diverge.

    iteración xi

    yi

    1 1.5 3.5

    2 1.45578231 5.166666667

    3 0.64724246 5.413376566

    iteración xi

    yi

    1 1.5 3.5

    2 2.21428571 -24.375

    3 -0.20910518 429.713648

    x = (57 - y)/3y2 y = (10 - x2)/x

    x = (10 - x2)/y y = 57 - 3xy2

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

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    Método de Iteración de Punto fijo para

    sistemas de Ecuaciones no LinealesEjemplo

    Encuentre una solución del sistema de ecuaciones no lineales

    Solución

    Con el despeje de X1 del termino (-10X1) en la primera ecuación y de X2del termino de (-10X2) en la segunda ecuación resulta.

    X1=(X12+X22 + 8 )/ 10

    X2=(X1X22+X1 + 8 ) / 10

    0),(

    0),(

    810

    810

    212

    21212

    22121211

     x x x x x x f  

     x x x x x f  

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    Por medio de Iteración por desplazamientos simultáneos

    x1k+1 = g1(x1k  , x2k )

    x2k+1 = g2(x1

    k  , x2k )

    Con los valores iniciales x10 = 0 , x2

    0 = 0 se inicia el proceso

    Primera iteración 

    X11

    =(02

    +02

    + 8 ) / 1 0 = 0 . 8

    X21=(0(0)2 + 0 + 8 ) / 10 = 0.8

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    29/77

    Segunda iteración 

    X12=((0.8)2+(0.8)2 + 8)/ 10 = 0.928

    X22=(0.8(0.8)2 + 0.8 + 8 ) / 10 = 0.9312

    Al continuar el proceso iterativo, se encuentra la siguient

    e sucesión de valores

    k

    X1k X2

    k

    0 0.00000 0.00000

    1 0.80000 0.80000

    2 0.92800 0.93120

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

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    k

    X1k X2

    k

    3 0.97283 0.97327

    4 0.98937 0.98944

    5 0.99578 0.99579

    6 0.99832 0.99832

    7 0.99933 0.99933

    8 0.99973 0.99973

    9 0.99989 0.99989

    10 0.99996 0.99996

    11 0.99998 0.99998

    12 0.99999 0.99999

    13 1.00000 1.00000

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    31/77

    • Cualquiera que sea el sistema que se va a resolver

    con este método, puede aumentarse la velocidad deconvergencia usando desplazamientos sucesivosen lugar de los desplazamientos simultáneos esdecir se itera mediante

     x1k+1 = g1(x1

    k , x2k )

     x2k+1 = g2(x1

    k+1 , x2k )

    Como en el caso lineal (Jacobi y Gauss-Seidel), sila iteración por desplazamientos simultáneosdiverge generalmente el método por desplazamientos

    sucesivos divergiría mas rápido; es decir se detectamas rapido la divergencia, por lo que en general se recomienda el uso de desplazamientos sucesivos enlugar de desplazamientos simultáneos .

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

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    Un sistema de ecuaciones no lineales

    con dos incógnitas “x” y “y”

    0573),(

    010),(

    2

    2

     xy y y xv

     xy x y xu

     Así la solución de este sistema son los valores de ( x , y ) que

    hacen a las funciones u y v iguales a cero.

    Para resolver estas ecuaciones se utilizan extensiones de losmétodos abiertos antes vistos.

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

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    Resolución del sistema de ecuaciones

    no lineales• Utilizando la iteración de punto fijo.

    La aproximación de la iteración de punto fijo, vista

    anteriormente, se puede modificar para resolver dos

    ecuaciones simultáneas no lineales

    Las modificaciones y las desventajas de este métod

    o se ilustra en el siguiente ejemplo.

    Ejemplo

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

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    Ejemplo

    0573),(

    010),(

    2

    2

     xy y y xv

     xy x y xu

    Solución

    i

    ii

     y

     x x

    2

    1

    10  

    Con base en los valores iniciales

    21429.25.3

    )5.1(10   2

     x

    2

    1   357 iii   y x y  

    37516.24)5.3()21429.2(357   2  y

    La aproximación diverge, pero si se cambia la formulación,

    los resultados difieren.

    Sistema de ecuaciones no lineales.

    Valores iniciales x=1.5 y=3.5.La solución es x=2 y=3

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

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      98340.2

    02046.23

    04955.357

    02046.204955.394053.110

    º3

    04955.394053.13

    86051.257

    94053.186051.217945.210

    º2

    86051.217945.23

    5.357

    17945.25.35.110

    357

    10

     y

     x

     Iteración

     y

     x

     Iteración

     y

     x

     Evaluando

     x y y

     xy x

    %22.2

    %96.3

     _ 

     _ 

     ya

     xa

     E 

     E 

    %55.0

    %02.1

     _ 

     _ 

     yt 

     xt 

     E 

     E 

    Como se observa en esta ocasión

    la aproximación no diverge.

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    36/77

    • Resuelva el sistema del ejemplo anterior utilizando

    el método de punto fijo para sistemas no lineales

    con desplazamientos sucesivos.

    0),(

    0),(

    810

    810

    212

    21212

    221

    21211

     x x x x x x f  

     x x x x x f  

    Problema Propuesto

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    37/77

    MÉTODO DE PUNTO FIJO EN

    SISTEMAS DE ECUACIONES NO LINEALES

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    38/77

    MÉTODO DE PUNTO FIJO EN

    SISTEMAS DE ECUACIONES NO LINEALES

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    39/77

    MÉTODO DE NEWTON RAPHSON EN

    SISTEMAS DE ECUACIONES NO LINEALES

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    40/77

    MÉTODO DE NEWTON RAPHSON EN

    SISTEMAS DE ECUACIONES NO LINEALES

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    41/77

    MÉTODO DE NEWTON RAPHSON EN

    SISTEMAS DE ECUACIONES NO LINEALES

    Mét d d N t i t

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    42/77

    Método de Newton para sistemas

    de ecuaciones no lineales• Todas las ecuaciones deben de ser cero en las raíces

    • Se define la matriz J(x) como:

    1

    ,1

     x

     f   i

    2

    ,1

     x

     f   i

    n

    i

     x

     f  

      ,1

    1

    ,2

     x f   i

    2

    ,2

     x f   i

    n

    i

     x f  

      ,2

    1

    ,

     x f   in

    2

    ,

     x f   in

    n

    in

     x f  

      ,

    ..........

    ..........

    ..........

    .................................

    ....................

    J(x) =

    Mét d d N t i t d

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    43/77

    Método de Newton para sistemas de

    ecuaciones no lineales• Entonces podemos escribir

    F(x)+Xi J(x)=Xi+1 J(x)

    • Dividiendo J(x) y reacomodando:

    Xi+1= Xi-J(x)-1 F(x)

    Esta es la Ecuación de Newton para sistemas No Lineales 

    Puesto que en cada iteración se tiene que calcular la inver

    sa de la matriz J(x)y esto implica un considerable esfuerzode cálculo , para evitar este paso se utiliza el artificio de en

    contrar un vector Y que satisfaga

     J(x)Y= -F(x)

    • Se establece un esquema iterativo donde cada nueva aproxi-mación se obtiene como:

    X(k+1) = y +x(k)

    Se resuelve el sistema tomando como valores iniciales

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    44/77

    Método de Newton• Sistema de ecuaciones

    • Aproximación por el plano tangente

    • Paso de Newton

    F xF IR IR  

    x x x f x f x

    n n

    n n

    ( ):

    ( , ... , ) ( ( ), ... ( ))  

    01 1

    F x F x DF x x x( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) 0 0 0

    x x DF x F x( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )1 0 0 1 0

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    45/77

     Algoritmo de Newtonfunction [x,iter,incr] = newton(f,x,tol, m 

    axiter)iter = 0; incr = tol+1;

     while incr > tol & iter < maxiter

    [fx,dfx] = feval(f,x);delta = - dfx \ fx;

    incr = norm(delta);

    iter = iter+1;x = x + delta;

    end 

    if incr>tol, disp(‘No converge’), end 

    El archivo f.mevalúa la función

    y el jacobiano

    É

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    46/77

    MÉTODO DE NEWTON RAPHSON EN

    SISTEMAS DE ECUACIONES NO LINEALES

    u(x, y)

    v(x, y)

    x

    yNo sepuedemostrar laimagen en estemomento.

    x1

    y1

    É

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    47/77

    MÉTODO DE NEWTON RAPHSON EN

    SISTEMAS DE ECUACIONES NO LINEALES• Este procedimiento corresponde, analíticamente, a extender

    el uso de la derivada, ahora para calcular la intersección

    entre dos funciones no lineales.

    • Al igual que para una sola ecuación, el cálculo se basa en

    la expansión de la serie de Taylor de primer orden, ahora de

    múltiples variables, para considerar la contribución de más

    de una variable independiente en la determinación de la raíz.

    • Para dos variables, la serie de Taylor de primer orden se

    escribe, para cada ecuación no lineal:

    i i

    i 1 i i 1 i i 1 i

    i ii 1 i i 1 i i 1 i

    u u

    u u (x x ) (y y )x y

    v vv v (x x ) (y y )

    x y

    É

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    48/77

    MÉTODO DE NEWTON RAPHSON EN

    SISTEMAS DE ECUACIONES NO LINEALES• Pero ui+1 = vi+1 = 0 :

    • Que reescribiendo en el orden conveniente:

    i i i ii 1 i 1 i i i

    i i i i

    i 1 i 1 i i i

    u u u ux y u x yx y x y

    v v v vx y v x y

    x y x y

    i i i ii i 1 i i 1 i

    i i i i

    i i 1 i i 1 i

    u u u uu x x y y 0x x y y

    v v v vv x x y y 0

    x x y y

    MÉTODO DE NEWTON RAPHSON EN

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    49/77

    MÉTODO DE NEWTON RAPHSON EN

    SISTEMAS DE ECUACIONES NO LINEALES• Y cuya solución es:

    • Donde J es el determinante jacobiano del sistema es:

    i i

    i i

    u v

    x xJu v

    y y

    i ii i

    i 1 i

    v uu vy y

    x xJ

    i ii i

    i 1 i

    u vv ux xy y

    J

    MÉTODO DE NEWTON RAPHSON EN

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    50/77

    MÉTODO DE NEWTON RAPHSON EN

    SISTEMAS DE ECUACIONES NO LINEALES

    iteración xi yi ui vi   ux   uy   vx   vy Jacobiano

    1 1.5 3.5 -2.5 1.625 6.5 1.5 36.75 32.5 156.125

    2 2.03602882 2.8438751 -0.064374959 -4.756208497 6.915932746 2.036028823 24.26287675 35.74127004 197.7843034

    3 1.99870061 3.002288563 -0.004519896 0.04957115 6.999689781 1.998700609 27.04120985 37.00405588 204.9696292

    4 1.99999998 2.999999413 -1.28609E-06 -2.21399E-05 6.999999381 1.999999984 26.99998944 36.99999267 204.9999473

    5 2 3 0 2.23821E-12 7 2 27 37 205

    x2 + xy - 10 = 0 y + 3xy2 - 57 = 0

    x = 2

    y = 3

    MÉTODO DE NEWTON RAPHSON EN

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    51/77

    MÉTODO DE NEWTON RAPHSON EN

    SISTEMAS DE ECUACIONES NO LINEALESSistema de ecuaciones lineales por el método de Newton Raphson

    0

    0.5

    1

    1.5

    2

    2.5

    3

    3.5

    4

    4.5

    1 2 3 4 5 6

    convergencia

           i       t     e     r     a     c       i     o     n     e     s

    x

    y

    2x xy 10 2y 3xy 57

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    52/77

    Resolución del sistema de ecuaciones

    no lineales

     y

    v y y

     x

    v x xvv

     yu y y

     xu x xuu

    iii

    iiiii

    iiiiiiii

    )()(

    )()(

    111

    111

    )(

    )('1

    i

    i

    ii  x f  

     x f  

     x x  

    Utilizando Newton-Raphson.

    Este cálculo se basa en la expansión de la serie de Taylorde primer orden y con ella se obtiene la ecuación para este

    método.

    La serie de Taylor de primer orden para el caso de dos variables.

    )()()()(  '

    11   iiiii   x f   x x x f   x f      

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    53/77

     x

    v

     y

    u

     y

    v

     x

    u x

    v

    u x

    u

    v y y

     x

    v

     y

    u

     y

    v

     x

    u

     y

    uv

     y

    vu

     x x

    iiii

    i

    i

    i

    i

    ii

    iiii

    ii

    ii

    ii

    1

    1

    Por medio de manipulación matemática y la regla de Cramer.

    El denominador de ambas ecuaciones es conocido como

    el determinante Jacobiano del sistema.

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    54/77

    0573),(

    010),(

    2

    2

     xy y y xv

     xy x y xu

    5.32)5.3)(5.1(6161

    75.36)5.3(33

    5.1

    5.65.3)5.1(22

    0

    220

    0

    0

     xy y

    v

     y x

    v

     x y

    u

     y x xu

    Solución.

    El Jacobiano para la primera iteración.

    125.156)75.36)(5.1()5.32)(5.6(  

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    55/77

    Evaluando en las funciones.

    84388.2125.156

    )75.36)(5.2()5.6(625.15.3

    03603.2125.156

    )5.1(625.1)5.32(5.25.1

    625.157)5.3)(5.1(35.3

    5.210)5.3(5.1)5.1(

    1

    1

    2

    0

    2

    0

     y

     x

    v

    u

    Iteración Variable Valor Error Aprox Error True

    2

    x 1,9986 1,87% 0,07%

    y 3,0027 5,29% 0,09%

    3

    x 2 0,07% 0%

    y 3 0,09% 0%

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    56/77

    Método de Newton. Ejemplo 2

    • Sistema

    • Estimación inicial

    • Primera

    iteración

    x y

    x ySol x y

    2 2

    2 2   12

    12

    34

    1 0

    0

      : ,

    x y0 01 3 ,

    x

    y

    x

    y

    x y

    x y

    x y

    x y

    1

    1

    0

    0

    0 0

    0 0

    1 02

    02

    0

    2

    0

    2   12

    2 2

    2 2

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    R lt d N t Ej l 2

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    57/77

    Resultados Newton Ejemplo 2

    k x y

    0   1 3

    1   0.62500000000000 1.62500000000000

    2   0.51250000000000 1.043269230769233   0.50015243902439 0.88108161999291

    4   0.50000002323057 0.86615404660332

    5   0.50000000000000 0.86602541333757

    6   0.50000000000000 0.86602540378444

    é d d j l

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    58/77

    DF x

    x x x x x x

    x x x

    x e x ex x x x( )

    sen( ) sen( )

    ( . ) cos( )

     

     

     

     

    3

    2 162 01

    20

    3 2 3 2 2 3

    1 2 3

    2 11 2 1 2

    Método de Newton. Ejemplo 3

    • Sistema no lineal

    • Jacobiana

    3 081 0 1 1 06 0

    20 10 3 1 0

    1 2 3

    1

    2

    1

    2

    2

    2

    3

    31 2

    x x xx x x

    e xx x

    cos( )( . ) sen( .

    /

    R lt d N t Ej l 3

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    59/77

    Resultados Newton. Ejemplo 3

    k x1   x2   x30   0.10000000 0.10000000   0.100000001   0.49986967 0.01946685   0.52152047

    2   0.50001423 0.00160764   0.523131663   0.50000012   1.48294E5   0.523558724   0.50000000   2.08910E8   0.523598405   0.50000000   2.792E11   0.523598786   0.50000000   4.E14   0.52359878

    Variantes del Método de Newton

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    60/77

    Variantes del Método de Newton

     Actualización periódica del

    Jacobiano Aproximación del Jacobiano por

    diferencias divididas

    Newton con desplazamiento

    unidimensional

    Métodos cuasi Newton

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    61/77

    Métodos cuasi-Newton

    • Idea de la secante

    • No usa las derivadas

     parciales

    • Convergencia superlineal

    • Formulación matricial

    1

    )1()1()2(

    01

    01

    11

    a

    )x(f xx

    xx

    )x(f )x(f 

    a)x('f 

    )x(FAxx

    A)x(DF)1(1

    1

    )1()2(

    1

    )1(

    Mét d d B d

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    62/77

    Método de Broyden

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    63/77

    Método de Broyden

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    64/77

    Método de Broyden

    Método de Broyden

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    65/77

    Método de Broyden

    Método de Broyden

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    66/77

    Método de Broyden

    Método de Broyden

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    67/77

    Método de Broyden

    Método de Broyden

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    68/77

    Método de Broyden

    1)(k (k)

    1)(k (k)

    T

    k 2k 

    k 1k k 

    1k k 

    (k)1

    (k)1)(k 

    xxs

    )F(x)F(xy

    ss

    )sA(y

    AA

    )F(xAxx

    Iterar 

    siendo

    Actualización de la inversa

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    69/77

     Actualización de la inversa

    A Ay A s

    ss

    A s A y s A

    s A yk 

    k k  k k k 

    k k k k k  

    k k k 

     

       

     

     

       

     

    1 1 12

    1

    1

    1   11 11

    1

    1   12

    ( )

    ( ) , ,...

    T

    T

    T

    Algoritmo de Broyden

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    70/77

     Algoritmo de Broyden

    • Entrada

    • x0

    ,tol, maxiter

    • Inicio

    • M: Inversa del Jacobiano en x0

    • x1 = x0 

    M*F(x0)• incr, iter 

    • Iteraciones: k = 1, 2, ...

    • Actualizar M % Ak-1-1

    Ak -1

    • xk+1 = xk   M*F(xk )

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    71/77

    Algoritmo while incr > tol

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    72/77

    g

    de Broyden

    % Inicio

    v = F(x0)

    M = inv(DF(x0))

    % Inversa Jacobiano

    s = M*v;

    x = x0+s;

    % Paso de Newton

    incr = norm(s);

    while incr > tol

    w = v; % F(x(k  1))

    v = F(x);

    y = vw; % F(x(k)) F(x(k 1))

    z = M*y; % inv(A(k 1))*y(k)

     p = s' *z;

    q = s' *M; % s(k)'*inv(A(k  1)

    R = (s+z)*q/p;

    M = M+R; % inversa de A(k)

    s = M*v;

    x = x+s; % Paso de Broyden

    incr = norm(s);

    end

    Resultados de Broyden.

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

    73/77

    Ejemplok x1   x2   x3

    0   0.10000000 0.10000000   0.100000001   0.49986967 0.01946684   0.521520472   0.49998637 0.00873783   0.523174573   0.50000660 0.00086727   0.523572344   0.50000032 0.00003953   0.52359768

    5   0.50000000 0.00000019   0.52359877

    Alternativas al primer paso

  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

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     Alternativas al primer paso

    • Estimar el Jacobiano por diferencias divididas

    • Estimación unidimensional del Jacobiano

    ))xx/()).x(F)x(F((diagA 01010  

    Conclusiones

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    • Una seria desventaja de la iteración es quela convergencia depende de la manera en

    que se formula la ecuación

    • El método Newton Raphson para dosecuaciones se puede generalizar para

    resolver n ecuaciones simultáneas.

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  • 8/16/2019 sistema de ecuaciones algrebraicas no lineales

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    Muchas Gracias