Calcolo Numerico


  Laurea Triennale, primo anno, a.a. 2020-2021
  Ing. Energia Canale B e Ing. Meccanica Canale 3,
  Docente: Alvise Sommariva
  Corso in collaborazione con Federico Piazzon


Videolezioni del corso per il 2020-2021


  • Lezione 1 di teoria

    Argomenti
    » Introduzione al corso (1h).
    » Rappresentazione dei numeri reali.
    » Un esempio.
    » Numeri macchina.
    » Alcune proprieta' numeri macchina (minimo, massimo).


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  • Lezione 2 di teoria

    Argomenti
    » Alcune proprieta' numeri macchina (cardinalita', spaziatura).
    » Precisione singola e doppia.
    » Troncamento e arrotondamento (con esempi e osservazioni).
    » Precisione di macchina.
    » Errori relativi e assoluti (per numeri e vettori), con esempi.
    » Unita' di arrotondamento.


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  • Lezione 3 di teoria:

    Argomenti
    » Operazioni con i numeri macchina.
    » Proprietà commutativa, associativa e distributiva delle operazioni floating point (con esempi).
    » Errori nelle operazioni e loro propagazione.
    » Il caso della somma, con dimostrazione.
    » Esempio sulla cancellazione.
    » Il caso del prodotto, con dimostrazione.
    » Alcune problematiche numeriche.
    » Valutazione di una funzione (condizionamento di una funzione).
    » Alcuni esempi del condizionamento.


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  • Lezione 4 di teoria:

    Argomenti
    » Stabilita' di un algoritmo.
    » Calcolo di una radice di secondo grado.
    » Approssimazione di pi greco.
    » Una successione ricorrente.
    » Sulla somma ((1+x)-1)/x.
    » Sulla valutazione di f(x)=x come tan(arctan(x)).
    » Valutazione di polinomi: complessita' computazionale.


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  • Lezione 1 di Laboratorio


    Argomenti
    » Matlab e Octave.
    » Interfaccia grafica di Matlab.
    » Command Window.
    » Variabili.
    » Valori che possono assumere le variabili (scalari, vettori, matrici, stringhe).
    » Operazioni e funzioni elementari predefinite (con esempi).
    » Alcune costanti.
    » Help di Matlab.
    » Assegnazioni.
    » Il comando "whos".
    » Vettori riga e colonna in Matlab.
    » Comandi "length" e "size", "zeros", "ones".
    » Vettori equispaziati come "a:h:b" o con "linspace".


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  • Lezione 5 di teoria:

    Argomenti
    » Potenza di un numero.
    » Esponenziale di un numero.
    » Determinanti: confronto della regola di Laplace e metodo con fattorizzazione LU.
    » Soluzione numerica di equazioni nonlineari esempi, grafici e metodi iterativi.


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  • Lezione 6 di teoria

    Argomenti
    » Ordine di convergenza, con esempio.
    » Metodo di bisezione.
    » Convergenza del metodo di bisezione (con dimostrazione).
    » Test di arresto per il metodo di bisezione (con esempi).


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  • Lezione 2 di Laboratorio

    Argomenti
    » Accesso alle componenti di un vettore.
    » Operazioni elementari di tipo vettoriale.
    » Funzioni elementari e loro applicazione a vettori.
    » Note sulle operazioni moltiplicative.
    » Somma tra scalari e vettori.
    » Operazioni moltiplicative tra scalari e vettori.
    » Definizione di funzioni matematiche.
    » La grafica di Matlab e il comando plot.


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  • Lezione 7 di teoria

    Argomenti
    » Metodo di Newton.
    » Interpretazione grafica del metodo di Newton.
    » Test di arresto per il metodo di Newton.
    » Un teorema di convergenza locale per il metodo di Newton (con dimostrazione).


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  • Lezione 8 di teoria

    Argomenti
    » Un teorema di convergenza globale per il metodo di Newton (con dimostrazione).
    » Newton e zeri multipli.
    » Newton: alcuni esempi (casi semplici e multipli).
    » Newton: radici quadrate ed n-sime.


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  • Lezione 3 di laboratorio

    Argomenti
    » La scala semilogaritmica
    » Altri comandi per grafici
    » I comandi legend e title
    » Le stringhe di testo
    » I comandi format, disp, fprintf
    » Le matrici: definizione.
    » Alcune funzioni matriciali di Matlab.
    » Operazioni elementari con Matrici.
    » Prodotto matrice vettore
    » Soluzione di sistemi lineari.


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  • Lezione 9 di teoria

    Argomenti
    » Metodo delle secanti.
    » Metodo delle secanti: un teorema di convergenza.
    » Metodo delle secanti: un esempio.
    » Metodi di punto fisso: introduzione.
    » Teorema di punto fisso di Banach (dimostrazione punto 3 (ordine convergenza)).
    » Un teorema di punto fisso di convergenza locale (senza dimostrazione).
    » Un teorema di punto fisso di convergenza locale (ordine p, senza dimostrazione).


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  • Lezione 10 di teoria

    Argomenti
    » Metodo di Newton come metodo di punto fisso.
    » Metodo di Newton e teorema di punto fisso di convergenza locale (traccia della dimostrazione).
    » Calcolo di radice di 5 mediante 4 successioni di punto fisso.
    » Interpolazione: introduzione.
    » Esistenza e unicita' del polinomio interpolatore (con dimostrazione)
    » Errore di interpolazione (senza dimostrazione)


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  • Lezione 11 di teoria

    Argomenti
    » Esempio di stima dell'errore di interpolazione.
    » Convergenza dell'interpolazione polinomiale: nodi equispaziati e di tipo Chebyshev;
    » Convergenza uniforme: una stima uniforme dell'errore tra funzione e polinomio interpolatore;
    » Teorema di Faber e di Bernstein;
    » Controesempio di Runge: comportamento dell'interpolante in nodi equispaziati e di Chebyshev;
    » Stabilita' dell'interpolazione polinomiale (introduzione del problema);


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  • Lezione 4 di laboratorio

    Argomenti
    » Le matrici: gestione di matrici particolari con [A; B] e [A B].
    » Definizione di una funzione
    » Definizione di una funzione: le directories
    » Definizione di una funzione: variabili locali
    » Definizione di una funzione: piu variabili in input e output
    » Operatori di relazione e condizionali (con esempi)
    » Le istruzioni condizionali: if then else (con esempi)
    » Le istruzioni condizionali: switch (con esempi)
    » Ciclo For (con esempi)
    » Ciclo While (con esempi)


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  • Lezione 12 di teoria

    Argomenti
    » Stabilita' dell'interpolazione polinomiale: stime, costante di Lebesgue;
    » Costante di Lebesgue per nodi equispaziati e di Chebyshev.
    » Un problema dell'interpolazione polinomiale.
    » Funzioni polinomiali a tratti. Funzioni polinomiali a tratti, interpolanti e di grado "s".
    » Esistenza e unicita' delle funzioni polinomiali a tratti, interpolanti e di grado "s" su dati che sono multiplo di "s".
    » Errore dell'interpolante polinomiale a tratti di grado 1 (con dimostrazione).


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  • Lezione 13 di teoria

    Argomenti
    » Convergenza uniforme delle funzioni polinomiali a tratti, interpolanti e di grado "1".
    » Splines.
    » Differenza tra splines e interpolanti polinomiali a tratti.
    » Splines cubiche interpolanti.
    » Analisi dell'unicita' delle splines cubiche.
    » Splines naturali, vincolate e periodiche.
    » Splines not-a-knot.


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  • Lezione 5 di laboratorio

    Argomenti
    » Relazioni tra ciclo for e ciclo while (con esempi)
    » Gestione dei files dei dati. Salvare dati su file.
    » Altri comandi.
    » Radici di Secondo grado in Matlab: metodo stabile e instabile.
    » Calcolo di pi greco mediante successioni.
    » Una successione ricorrente.


    » Il video della lezione del Dott. F. Piazzon NON e' disponibile (si consulti la pagina web url).



  • Lezione 14 di teoria

    Argomenti
    » Convergenza delle splines cubiche.
    » Osservazione sulla convergenza uniforme.
    » Esperimento di Runge con splines.
    » Problema ai minimi quadrati: definizione e motivazioni.
    » Teorema che lega il numero di campionamenti all'errore dei minimi quadrati.


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  • Lezione 6 di laboratorio

    Argomenti
    » Metodo di bisezione in Matlab (con demo).
    » Metodo di Newton in Matlab (con cicli while).
    » Metodo di Newton in Matlab (con cicli for, esercizio).


    » Il video della lezione del Dott. F. Piazzon NON e' disponibile. Si consideri: Videolezione in streaming.



  • Lezione 15

    Argomenti
    » Curve fitting.
    » Regressione lineare (con esempio).
    » Minimi quadrati e ricostruzione di funzione da dati perturbati..
    » Derivazione e un risultato negativo di convergenza uniforme.
    » Analisi del rapporto incrementale (con dimostrazione).
    » Instabilita' del rapporto incrementale (asserto).


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  • Lezione 16

    Argomenti
    » Instabilita' del rapporto incrementale (con dimostrazione).
    » Esempi.
    » Analisi del metodo del rapporto incrementale simmetrico (con dimostrazione).
    » Instabilita' del metodo del rapporto incrementale simmetrico (con dimostrazione).
    » Esempi.
    » Integrazione numerica: stabilita' e convergenza uniforme (con dimostrazione).


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  • Lezione 7 di Laboratorio

    Argomenti
    » Interpolazione in Matlab: polyfit e polyval.
    » La funzione di Runge in Matlab (esempio, con demo).
    » Esercizi.


    » Videolezione in streaming (parte I),
    » Videolezione in streaming (parte II),



  • Lezione 17

    Argomenti
    » Formule interpolatorie.
    » Grado di precisione.
    » Grado di precisione delle formule interpolatorie.
    » Regole del rettangolo: definizione ed errore.
    » Regola midpoint: definizione ed errore.
    » Formule di Newton-Cotes chiuse.
    » Regola del trapezio ed errore.
    » Regola di Cavalieri-Simpson ed errore.


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    » Videolezione in streaming (repost),
    » Download (repost).



  • Lezione 18

    Argomenti
    » Formule composte e interpolanti a tratti.
    » Formula composta midpoint, errore, grado di precisione, esempio.
    » Formula composta trapezi, errore, grado di precisione, esempio.
    » Formula composta Cavalieri-Simpson, errore, grado di precisione, esempio.
    » Formule composte: esempi e rapporti di convergenza.


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  • Lezione 8 di Laboratorio
    » Splines in Matlab: interp1 e spline.
    » Alcuni esempi.
    » Esercizi.

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  • Lezione 19

    Argomenti
    » Norma di vettori (definizione)
    » Norme "p" e infinito.
    » Esempi.
    » Norme indotte di matrici (definizione).
    » Raggio spettrale.
    » Norme indotte di matrici (esempi p=1, p=2, p=inf).
    » Risoluzione di sistemi lineari con termini noti perturbati.
    » Sistemi perturbato Ax=b e numero di condizionamento (dimostrazione caso perturbazione termine noto, con dimostrazione).
    » Un esempio.
    » Sistemi perturbato Ax=b e numero di condizionamento (dimostrazione caso perturbazione matrice, con dimostrazione ptI).


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  • Lezione 20

    Argomenti
    » Sistemi perturbati Ax=b e numero di condizionamento (dimostrazione caso perturbazione matrice, con dimostrazione, ptII).
    » Sistemi perturbati Ax=b e numero di condizionamento (dimostrazione caso generale, solo asserto).
    » Sistemi lineari. Un esempio.
    » Matrici triangolari.
    » Risoluzione numerica di sistemi Ax=b con A matrice triangolare.
    » Risoluzione numerica di sistemi Ax=b con A matrice triangolare: complessita' computazionale.
    » Risoluzione di sistemi lineari (esempio matriciale).
    » Fattorizzazione LU.
    » Risoluzione di sistemi lineari e loro legame con la fattorizzazione LU.


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    » Download. [lezione da svolgere]



  • Lezione 9 di Laboratorio
    » Approssimazione ai minimi quadrati in Matlab;
    » Polyfit e minimi quadrati;
    » Regressione lineare con esempio in Matlab;
    » Minimi quadrati e dati perturbati con esempio in Matlab;
    » Esercizi.

    » Videolezione in streaming,



  • Lezione 21

    Argomenti
    » Problematiche della fattorizzazione LU e della risoluzione dei sistemi lineari.
    » Risoluzioni di sistemi lineari con pivoting.
    » Fattorizzazione PA=LU.
    » Matrici cui a priori non serve pivoting: a predominanza diagonale, simmetriche definite positive.
    » Pseudocodice A=LU.
    » Complessita' computazionale A=LU (senza dimostrazione).
    » Tempi di calcolo.
    » Fattorizzazione Cholesky e sua complessita'.
    » Risoluzione del sistema Ax=b, nota PA=LU.
    » Determinante di una matrice: complessita' Laplace vs LU.
    » Inversa: cofattori vs LU.


    » Videolezione in streaming, [da svolgere]
    » Download. [da svolgere]



  • Lezione 22

    Argomenti
    » Metodi iterativi e metodi diretti: breve introduzione.
    » Splitting A=D-E-F.
    » Splitting A=P-N.
    » Metodi iterativi stazionari: x^(k+1)=Bx^(k)+c.
    » Splitting A=P-N: caso Jacobi.
    » Metodo di Jacobi (esempio matrice 3 x 3).
    » Splitting A=P-N: caso Gauss-Seidel.
    » Metodo di Gauss-Seidel (esempio matrice 3 x 3).


    » Videolezione in streaming, [da svolgere]
    » Download. [da svolgere]



  • Lezione 10 di Laboratorio

    Argomenti
    » Regola dei trapezi e di Cavalieri-Simpson;
    » Una demo di esempio sulla regola dei trapezi e di Cavalieri-Simpson;
    » Formula dei trapezi composta;
    » Formula dei trapezi composta: implementazione in Matlab;
    » Formula dei Cavalieri-Simpson composta;
    » Formula dei Cavalieri-Simpson composta: implementazione in Matlab;
    » Una demo di esempio sulla formula composta dei trapezi e di Cavalieri-Simpson;
    » Esercizio assegnato.


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  • Lezione 23

    » Convergenza di Jacobi per matrici a pred. diag. stretta (senza dimostrazione).
    » Metodi iterativi e loro convergenza: esempi.
    » Test di arresto.
    » Sistemi sovradeterminati e soluzione ai minimi quadrati: definizione.
    » Sistemi sovradeterminati e soluzione ai minimi quadrati: teorema.
    » Legame tra soluzione dell'approssimazione ai minimi quadrati ed equazioni normali (senza dimostrazione).
    » Matrici rettangolari e fattorizzazione Cholesky.
    » Risoluzione equazioni normali con fattorizzazione Cholesky.

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  • Lezione 24

    » Risoluzione equazioni normali con fattorizzazione Cholesky: un esempio.
    » Matrici rettangolari e fattorizzazione QR.
    » Risoluzione equazioni normali con fattorizzazione QR.
    » Risoluzione equazioni normali con fattorizzazione QR: un esempio.
    » Matrici rettangolari e fattorizzazione SVD.
    » Risoluzione equazioni normali con fattorizzazione SVD.
    » Risoluzione equazioni normali con fattorizzazione SVD: un esempio.

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  • Lezione 11 di Laboratorio

    » Fattorizzazione LU ed eliminazione gaussiana in Matlab.
    » Il comando {\tt{mldivide}} (backslash);
    » Soluzione di sistemi lineari con backslash<\it>;
    » Fattorizzazione LU;
    » Fattorizzazione LU (esempi);
    » Soluzione di sistemi lineari nota la fattorizzazione LU;
    » Esercizi.

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