2017年4月6日木曜日

Gauss Elimination

 Gauss Elimination

  1. 1. • Graphical method • Cramer's Rule • The Elimination of Unknowns
  2. 2. A graphical solution is obtainable for two equations by plotting on Cartesian coordinates with one axis corresponding to x1 and the other x2. a11 x1 + a12x2 = b1 a21 x1 + a22x2 = b2 Both equations can be solved for x2: Thus, the equations are now in the form of straight lines; that is, x1=(slope)x1+intercept.Yhese lines can be graphed on Cartesian coordinates with x2 as the ordinate and x1 as the abscissa. The values of x1 and x2 at the intersection of the lines represent the solution
  3. 3. Example Use the graphical method to solve : Solution. Let x1 be the abscissa. Solve eq,1 and eq,2 for x2
  4. 4. Graphical Method 9 8 7 6 Solution x1=4 x2=3 5 X2 2 4 1 3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 X1 Graphical solution of a set of two simultaneous linear algebraic equations. The intersection of the lines represents the solution
  5. 5. Cramer´s rule is another solution technique that is best suited to small numbers of equation . This rule states that each unknown in a system of linear algebraic equations may be expressed as a fraction of two determinants with denominator D and with the numerator obtained from D by replacing the column of coefficients of the unknown in question by the constants b1, b2,b3 … bn, for example ,x1 would be computed as 1 12 13 2 22 23 3 23 33 1 =
  6. 6. Example: Use Cramer´s rule to solve + − = − + = + + = 1 0 −2 3 0 −2 1 3 −2 1 0 3 = 0 −1 3 = 1 −1 3 = 0 1 3 = 0 −1 1 2 0 5 0 0 5 2 0 5 2 0 0 The determinant can be written as det D=-9, det Dx=-15, det Dy=27 y det − Dz=6. Therefore = − = − = −
  7. 7. The elimination of unknowns by combining equations is an algebraic approach that can be illustrated for a set of two equations: 11 1 + 12 2 = 1 21 1 + 22 2 = 2 The basic strategy is to multiply the equations by constants so that one of the unknowns will be eliminated when the two equations are combined. The result is a single equation that can be solved for the remaining unknown, and this value can then be substituted into either of the original equations to compute the other variable 21 (11 1 + 12 2 ) = 1 21 11 (21 1 + 22 2 ) = 2 11
  8. 8. This method to solve equations is called Naïve Gauss Elimination because it does not avoid division by zero. The technique for n equations consists of two phases : • Elimination of unknowns • Solution through back substitution
  9. 9. The first phase is designed to reduce the set of 11 1 + 12 2 + 13 3 +. . + = 1 equation to an upper triangular system. 21 1 + 22 2 + 23 3 +. . + = 2 Multiply eq.1 by 21 /11 to give: . . 21 21 21 1 1 + 2 2 + 3 3 +. . + = 21 + 12 2 +. .+ + 1 = + 11 11 11 1 Now this equation can be subtracted from eq.2 to give: = 21 21 21 22 − + 2 +..+ 2 − + = 2 − 11 12 11 1 11 1 or ´´22 2 +. . +´´2 = ´2 ´ ´ = ´ ´´ ´´ Where the prime indicates that the elements have been changed from their original values. The procedure is ´´ then repeated for the remaining equations. eq,. Can be = ´´ multiplied by 31 and the result can be subtracted from 11 ´ − ´ = the third equation. Now the equations are solved ´ starting from the last equation as it has only one = ( − − )/ unknown by back sustitution.
  10. 10. Example: Use Naïve Gauss elimination to solve Working in the matrix form First step Divide Row 1 by 20 and then multiply it by –3, that is, multiply Row 1 by Subtract the result from Row 2
  11. 11. to get the resulting equations as Divide Row 1 by 20 and then multiply it by 5, that is, multiply Row 1 by Subtract the result from Row 3 to get the resulting equations as
  12. 12. Second step Now for the second step of forward elimination, we will use Row 2 as the pivot equation and eliminate Row 3 Column 2 to get the resulting equations as Back substitution We can now solve the above equations by back substitution. From the third equation Substituting the value of in the second equation
  13. 13. Substituting the value of and in the first equation, Hence the solution is
  14. 14. Division by zero: It is possible for division by zero to occur during the beginning of the steps of forward elimination. For example will result in division by zero in the first step of forward elimination as the coefficient of in the first equation is zero as is evident when we write the equations in matrix form.
  15. 15. Another example There is no issue of division by zero in the first step of forward elimination. The pivot element is the coefficient of in the first equation, 5, and that is a non-zero number. However, at the end of the first step of forward elimination, Now at the beginning of the 2nd step of forward elimination, the coefficient of in Equation 2 would be used as the pivot element. That element is zero and hence would create the division by zero problem. So it is important to consider that the possibility of division by zero can occur at the beginning of any step of forward elimination. Round-off error: The Naïve Gauss elimination method is prone to round-off errors. This is true when there are large numbers of equations as errors propagate. Also, if there is subtraction of numbers from each other, it may create large errors.
  16. 16. Round off errors were large when five significant digits were used as opposed to six significant digits. One method of decreasing the round-off error would be to use more significant digits, that is, use double or quad precision for representing the numbers. However, this would not avoid possible division by zero errors in the Naïve Gauss elimination method. To avoid division by zero as well as reduce (not eliminate) round-off error, Gaussian elimination with partial pivoting is the method of choice.
 
とても興味深く読みました：
 
再生核研究所声明359（2017.3.20）　
ゼロ除算とは何か　―　本質、意義

ゼロ除算の理解を進めるために　ゼロ除算とは何か　の題名で、簡潔に表現して置きたい。　構想と情念、想いが湧いてきたためである。
基本的な関数y=1/x を考える。　これは直角双曲線関数で、原点以外は勿論、値、関数が定義されている。問題はこの関数が、x=0 　で　どうなっているかである。結論は、この関数の原点での値を　ゼロと定義する　ということである。　定義するのである。定義であるから勝手であり、従来の定義や理論に反しない限り、定義は勝手であると言える。原点での値を明確に定義した理論はないから、この定義は良いと考えられる。それを、y=1/0=0　と記述する。ゼロ除算は不可能であるという、数学の永い定説に従って、1/0　の表記は学術書、教科書にもないから、1/0=0　の記法は　形式不変の原理、原則　にも反しないと言える。―　多くの数学者は注意深いから、1/0=\infty　の表記を避けてきたが、想像上では x　が　0　に近づいたとき、限りなく　絶対値が大きくなるので、複素解析学では、表現1/0=\infty　は避けても、1/0=\infty　と考えている事は多い。（無限大の記号がない時代、アーベルなどもそのような記号を用いていて、オイラーは1/0=\inftyと述べ、それは間違いであると指摘されてきた。　しかしながら、無限大とは何か、数かとの疑問は　続いている。）。ここが大事な論点である。近づいていった極限値がそこでの値であろうと考えるのは、極めて自然な発想であるが、現代では、不連続性の概念　が十分確立されていて、極限値がそこでの値と違う例は、既にありふれている。―　アリストテレスは　連続性の世界観をもち、特にアリストテレスの影響を深く受けている欧米の方は、この強力な不連続性を中々受け入れられないようである。無限にいくと考えられてきたのが突然、ゼロになるという定義になるからである。　しかしながら、関数y=1/xのグラフを書いて見れば、原点は双曲線のグラフの中心の点であり、美しい点で、この定義は魅力的に見えてくるだろう。
定義したことには、それに至るいろいろな考察、経過、動機、理由がある。―　分数、割り算の意味、意義、一意性問題、代数的な意味づけなどであるが、それらは既に数学的に確立しているので、ここでは触れない。
すると、定義したからには、それがどのような意味が存在して、世の中に、数学にどのような影響があるかが、問題になる。これについて、現在、初等数学の学部レベルの数学をゼロ除算の定義に従って、眺めると、ゼロ除算、すなわち、　分母がゼロになる場合が表現上現れる広範な場合に 新しい現象が発見され、ゼロ除算が関係する広範な場合に大きな影響が出て、数学は美しく統一的に補充，完全化されることが分かった。それらは現在、３８０件以上のメモにまとめられている。しかしながら、世界観の変更は特に重要であると考えられる：

複素解析学で無限遠点は　その意味で1/0=0で、複素数0で表されること、アリストテレスの連続性の概念に反し、ユークリッド空間とも異なる新しい空間が　現れている。直線のコンパクト化の理想点は原点で、全ての直線が原点を含むと、超古典的な結果に反する。更に、ゼロと無限の関係が明らかにされてきた。
ゼロ除算は、現代数学の初等部分の相当な変革を要求していると考えられる。

以　上
付記：　The division by zero is uniquely and reasonably determined as 1/0=0/0=z/0=0 in the natural extensions of fractions. We have to change our basic ideas for our space and world

Division by Zero z/0 = 0 in Euclidean Spaces
Hiroshi Michiwaki, Hiroshi Okumura and Saburou Saitoh　International Journal of Mathematics and Computation Vol. 28(2017); Issue  1, 2017), 1 -16.　
http://www.scirp.org/journal/alamt　 　http://dx.doi.org/10.4236/alamt.2016.62007
http://www.ijapm.org/show-63-504-1.html
http://www.diogenes.bg/ijam/contents/2014-27-2/9/9.pdf

Relations of 0 and infinity
Hiroshi Okumura, Saburou Saitoh　and Tsutomu Matsuura：
http://www.e-jikei.org/…/Camera%20ready%20manuscript_JTSS_A…
 
 
再生核研究所声明353（2017.2.2）　ゼロ除算　記念日

2014.2.2　に 一般の方から100/0　の意味を問われていた頃、偶然に執筆中の論文原稿にそれがゼロとなっているのを発見した。直ぐに結果に驚いて友人にメールしたり、同僚に話した。それ以来、ちょうど３年、相当詳しい記録と経過が記録されている。重要なものは再生核研究所声明として英文と和文で公表されている。最初のものは

再生核研究所声明　148（2014.2.12）:　100/0=0,  0/0=0　－　割り算の考えを自然に拡張すると　―　神の意志

で、最新のは

Announcement 352 (2017.2.2):  On the third birthday of the division by zero z/0=0　

である。
アリストテレス、ブラーマグプタ、ニュートン、オイラー、アインシュタインなどが深く関与する　ゼロ除算の神秘的な永い歴史上の発見であるから、その日をゼロ除算記念日として定めて、世界史を進化させる決意の日としたい。ゼロ除算は、ユークリッド幾何学の変更といわゆるリーマン球面の無限遠点の考え方の変更を求めている。―　実際、ゼロ除算の歴史は人類の闘争の歴史と共に　人類の愚かさの象徴であるとしている。
心すべき要点を纏めて置きたい。

１）     ゼロの明確な発見と算術の確立者Brahmagupta (598 - 668 ?)　は　既にそこで、0/0=0　と定義していたにも関わらず、言わば創業者の深い考察を理解できず、それは間違いであるとして、１３００年以上も間違いを繰り返してきた。
２）     予断と偏見、慣習、習慣、思い込み、権威に盲従する人間の精神の弱さ、愚かさを自戒したい。我々は何時もそのように囚われていて、虚像を見ていると　真智を愛する心を大事にして行きたい。絶えず、それは真かと　問うていかなければならない。
３）     ピタゴラス派では　無理数の発見をしていたが、なんと、無理数の存在は自分たちの世界観に合わないからという理由で、―　その発見は都合が悪いので　―　、弟子を処刑にしてしまったという。真智への愛より、面子、権力争い、勢力争い、利害が大事という人間の浅ましさの典型的な例である。
４）     この辺は、２０００年以上も前に、既に世の聖人、賢人が諭されてきたのに　いまだ人間は生物の本能レベルを越えておらず、愚かな世界史を続けている。人間が人間として生きる意義は　真智への愛にある　と言える。
５）     いわば創業者の偉大な精神が正確に、上手く伝えられず、ピタゴラス派のような対応をとっているのは、本末転倒で、そのようなことが世に溢れていると警戒していきたい。本来あるべきものが逆になっていて、社会をおかしくしている。
６）     ゼロ除算の発見記念日に　繰り返し、人類の愚かさを反省して、明るい世界史を切り拓いて行きたい。
以　上

追記：

The division by zero is uniquely and reasonably determined as 1/0=0/0=z/0=0 in the natural extensions of fractions. We have to change our basic ideas for our space and world:

Division by Zero z/0 = 0 in Euclidean Spaces
Hiroshi Michiwaki, Hiroshi Okumura and Saburou Saitoh
International Journal of Mathematics and Computation Vol. 28(2017); Issue  1, 2017), 1-16.　
http://www.scirp.org/journal/alamt　 　http://dx.doi.org/10.4236/alamt.2016.62007
http://www.ijapm.org/show-63-504-1.html
http://www.diogenes.bg/ijam/contents/2014-27-2/9/9.pdf

再生核研究所声明357（2017.2.17）Brahmagupta　の名誉回復と賞賛を求める。

再生核研究所声明　３３９で　次のように述べている：

世界史と人類の精神の基礎に想いを致したい。ピタゴラスは　万物は数で出来ている、表されるとして、数学の重要性を述べているが、数学は科学の基礎的な言語である。ユークリッド幾何学の大きな意味にも触れている（再生核研究所声明315（2016.08.08）　世界観を大きく変えた、ユークリッドと幾何学）。しかしながら、数体系がなければ、空間も幾何学も厳密には　表現することもできないであろう。この数体系の基礎はブラーマグプタ（Brahmagupta、598年 – 668年?）インドの数学者・天文学者によって、628年に、総合的な数理天文書『ブラーマ・スプタ・シッダーンタ』（ब्राह्मस्फुटसिद्धान्त Brāhmasphuṭasiddhānta）の中で与えられ、ゼロの導入と共に四則演算が確立されていた。ゼロの導入、負の数の導入は数学の基礎中の基礎で、西欧世界がゼロの導入を永い間嫌っていた状況を見れば、これらは世界史上でも顕著な事実であると考えられる。最近ゼロ除算は、拡張された割り算、分数の意味で可能で、ゼロで割ればゼロであることが、その大きな影響とともに明らかにされてきた。しかしながら、　ブラーマグプタは　その中で 0 ÷ 0 ＝ 0 と定義していたが、奇妙にも１３００年を越えて、現在に至っても　永く間違いであるとされている。現在でも0 ÷ 0について、幾つかの説が存在していて、現代数学でもそれは、定説として　不定であるとしている。最近の研究の成果で、ブラーマグプタの考えは　実は正しかった　ということになる。　しかしながら、一般の　ゼロ除算については触れられておらず、永い間の懸案の問題として、世界を賑わしてきた。現在でも議論されている。ゼロ除算の永い歴史と問題は、次のアインシュタインの言葉に象徴される：

Blackholes are where God divided by zero. I don't believe in mathematics. George Gamow (1904-1968) Russian-born American nuclear physicist and cosmologist re-
marked that "it is well known to students of high school algebra" that division by zero is not valid; and Einstein admitted it as the biggest blunder of his life [1] 1. Gamow, G., My World Line (Viking, New York). p 44, 1970.

物理学や計算機科学で　ゼロ除算は大事な課題であるにも関わらず、創始者の考えを無視し、割り算は　掛け算の逆との　貧しい発想で　間違いを１３００年以上も、繰り返してきたのは　実に残念で、不名誉なことである。創始者は　ゼロの深い意味、ゼロが　単純な算数・数学における意味を越えて、ゼロが基準を表す、不可能性を表現する、神が最も簡単なものを選択する、神の最小エネルギーの原理、すなわち、神もできれば横着したいなどの世界観を感じていて、0/0=0 を自明なもの　と捉えていたものと考えられる。実際、巷で、ゼロ除算の結果や、適用例を語ると　結構な　素人の人々が　率直に理解されることが多い。
１３００年間も　創始者の結果が間違いであるとする　世界史は修正されるべきである、間違いであるとの不名誉を回復、数学の基礎の基礎である算術の確立者として、世界史上でも高く評価されるべきである。　真智の愛、良心から、厚い想いが湧いてくる。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　以　上

追記

The division by zero is uniquely and reasonably determined as 1/0=0/0=z/0=0 in the natural extensions of fractions. We have to change our basic ideas for our space and world:
http://www.scirp.org/journal/alamt　 　http://dx.doi.org/10.4236/alamt.2016.62007
http://www.ijapm.org/show-63-504-1.html
http://www.diogenes.bg/ijam/contents/2014-27-2/9/9.pdf

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