init
This commit is contained in:
12
P2/CMakeLists.txt
Executable file
12
P2/CMakeLists.txt
Executable file
@@ -0,0 +1,12 @@
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||||
# Set the minimum required version of CMake
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||||
cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
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||||
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||||
# Set the project name and specify the C++ as the project language
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||||
project(HM_P2)
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||||
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||||
# Specify the C++ standard
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set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)
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set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED ON)
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||||
# Add an executable with the above sources
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||||
add_executable(HM_P2 main.cpp CMyVektor.cpp CMyMatrix.cpp)
|
||||
145
P2/CMyMatrix.cpp
Executable file
145
P2/CMyMatrix.cpp
Executable file
@@ -0,0 +1,145 @@
|
||||
#include "CMyMatrix.h"
|
||||
#include "CMyVektor.h"
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||||
#include <iostream>
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#include <iomanip>
|
||||
#include <math.h>
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||||
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// Konstruktor
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||||
CMyMatrix::CMyMatrix(int z, int s) {
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zeilen = z;
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||||
spalten = s;
|
||||
matrix.resize(zeilen);
|
||||
for (int i = 0; i < zeilen; ++i)
|
||||
matrix[i].resize(spalten);
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}
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||||
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||||
double CMyMatrix::getZeilen() {
|
||||
return zeilen;
|
||||
}
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||||
double CMyMatrix::getSpalten() {
|
||||
return spalten;
|
||||
}
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||||
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||||
void CMyMatrix::setWert(double wert, int zeile, int spalte) {
|
||||
matrix[zeile][spalte] = wert;
|
||||
}
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||||
double CMyMatrix::getWert(int zeile, int spalte) {
|
||||
return matrix[zeile][spalte];
|
||||
}
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||||
|
||||
double& CMyMatrix::operator()(int zeile, int spalte) {
|
||||
return matrix[zeile][spalte];
|
||||
}
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||||
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||||
CMyMatrix CMyMatrix::invers() {
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||||
if (this->getZeilen() != 2 || this->getSpalten() != 2)
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||||
throw std::runtime_error("Keine 2x2 Matrix");
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||||
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||||
double a = this->getWert(0, 0);
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||||
double b = this->getWert(1, 0);
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||||
double c = this->getWert(0, 1);
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||||
double d = this->getWert(1, 1);
|
||||
|
||||
double determinate = a * d - b * c;
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||||
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||||
if (determinate == 0)
|
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throw std::runtime_error("detA == 0");
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||||
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||||
double kehrwertDeterminante = 1 / determinate;
|
||||
CMyMatrix inverse(2,2);
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||||
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||||
inverse.setWert(kehrwertDeterminante * d, 0, 0);
|
||||
inverse.setWert(kehrwertDeterminante * -c, 0, 1);
|
||||
inverse.setWert(kehrwertDeterminante * -b, 1, 0);
|
||||
inverse.setWert(kehrwertDeterminante * a, 1, 1);
|
||||
|
||||
return inverse;
|
||||
}
|
||||
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||||
// Matrix-Vektor Multiplikation
|
||||
CMyVektor operator*(CMyMatrix A, CMyVektor x) {
|
||||
// M Spalten == V Zeilen
|
||||
if (A.getSpalten() != x.getDimension())
|
||||
throw std::runtime_error("Matrix(m x n) * Vektor(i) n != i");
|
||||
|
||||
CMyVektor ergebnis(A.getZeilen());
|
||||
|
||||
for (int i = 0; i < A.getZeilen(); i++) { // Zeile
|
||||
for (int j = 0; j < A.getSpalten(); j++) // Spalte
|
||||
ergebnis[i] += A(i, j) * x[j]; // Aufsummierung
|
||||
}
|
||||
return ergebnis;
|
||||
}
|
||||
|
||||
std::ostream& operator<<(std::ostream& os, CMyMatrix x) {
|
||||
|
||||
for (int i = 0; i < x.getZeilen(); ++i) {
|
||||
os << "\t\t\t(";
|
||||
for (int j = 0; j < x.getSpalten(); ++j)
|
||||
j == x.getSpalten() - 1 ? os << std::fixed << std::setprecision(10) << x(i, j) : os << std::fixed << std::setprecision(10) << x(i, j) << "|";
|
||||
|
||||
os << ")\n";
|
||||
}
|
||||
return os;
|
||||
}
|
||||
|
||||
CMyMatrix jacobi(CMyVektor x, CMyVektor(*f)(CMyVektor)) {
|
||||
double const h = pow(10, -4);
|
||||
CMyVektor f_x = f(x);
|
||||
CMyVektor tmp{ x };
|
||||
|
||||
CMyMatrix jacobiMatrix(f_x.getDimension(), x.getDimension());
|
||||
|
||||
for (int i = 0; i < f_x.getDimension(); ++i) { // Zeile bzw. Teilfunktion f_i
|
||||
for (int j = 0; j < x.getDimension(); ++j) { // Spalte bzw. Variable x_j
|
||||
tmp[j] += h;
|
||||
jacobiMatrix(i, j) = (f(tmp)[i] - f_x[i]) / h;
|
||||
tmp[j] -= h;
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
return jacobiMatrix;
|
||||
};
|
||||
|
||||
void newtonverfahren(CMyVektor x, CMyVektor(*f)(CMyVektor)) {
|
||||
int schritt = 0;
|
||||
CMyVektor f_x = f(x);
|
||||
CMyMatrix jacobi_f_x = jacobi(x, f);
|
||||
CMyMatrix jacobiInvers = jacobi_f_x.invers();
|
||||
|
||||
double funktionLaenge = f_x.length();
|
||||
|
||||
CMyVektor dx = -1 * (jacobiInvers * f_x);
|
||||
|
||||
while (schritt != 50 && funktionLaenge >= 1e-5) {
|
||||
std::cout << "Schritt " << schritt << ":"
|
||||
<< "\n\t 𝐱 = " << x
|
||||
<< "\n\t 𝑓(𝐱) = " << f_x << "\n"
|
||||
<< "\n\t ∂𝑓(𝐱) = \n " << jacobi_f_x
|
||||
<< "\n\t ∂𝑓(𝐱)⁻¹ = \n" << jacobiInvers
|
||||
<< "\n\t Δ𝐱 = " << dx
|
||||
<< "\n\t ||𝑓(𝐱)|| = " << funktionLaenge << std::endl << std::endl;
|
||||
|
||||
schritt++;
|
||||
x = x + dx;
|
||||
f_x = f(x);
|
||||
jacobi_f_x = jacobi(x, f);
|
||||
jacobiInvers = jacobi_f_x.invers();
|
||||
dx = -1 * (jacobiInvers * f_x);
|
||||
funktionLaenge = f_x.length();
|
||||
|
||||
if (schritt == 50) {
|
||||
std::cout << "Ende wegen Schrittanzahl = 50 bei";
|
||||
std::cout << "\n\t x = " << x
|
||||
<< "\n\t 𝑓(𝐱) = " << f_x
|
||||
<< "\n\t ||𝑓(𝐱)|| = " << funktionLaenge << std::endl;
|
||||
}
|
||||
else if (funktionLaenge < 1e-5) {
|
||||
std::cout << "Ende wegen ||𝑓(𝐱)||<1e-5 bei";
|
||||
std::cout << "\n\t x = " << x
|
||||
<< "\n\t 𝑓(𝐱) = " << f_x
|
||||
<< "\n\t ||𝑓(𝐱)|| = " << funktionLaenge << std::endl;
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
};
|
||||
31
P2/CMyMatrix.h
Executable file
31
P2/CMyMatrix.h
Executable file
@@ -0,0 +1,31 @@
|
||||
#include <vector>
|
||||
#include <iostream>
|
||||
#include "CMyVektor.h"
|
||||
|
||||
class CMyMatrix {
|
||||
private:
|
||||
std::vector<std::vector<double>> matrix;
|
||||
int zeilen = 0;
|
||||
int spalten = 0;
|
||||
|
||||
public:
|
||||
CMyMatrix(int zeilen, int spalten);
|
||||
|
||||
double getZeilen();
|
||||
double getSpalten();
|
||||
|
||||
void setWert(double wert, int zeile, int spalte);
|
||||
|
||||
double getWert(int zeile, int spalte);
|
||||
|
||||
double& operator()(int zeile, int spalte);
|
||||
|
||||
CMyMatrix invers();
|
||||
|
||||
friend CMyVektor operator*(CMyMatrix A, CMyVektor x);
|
||||
|
||||
friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, CMyMatrix x);
|
||||
};
|
||||
|
||||
CMyMatrix jacobi(CMyVektor x, CMyVektor(*funktion)(CMyVektor)); //como friend-> error de compiler "C3767"
|
||||
void newtonverfahren(CMyVektor x, CMyVektor(*funktion)(CMyVektor)); //libro pagina 221
|
||||
199
P2/CMyVektor.cpp
Executable file
199
P2/CMyVektor.cpp
Executable file
@@ -0,0 +1,199 @@
|
||||
#include "CMyVektor.h"
|
||||
#include <math.h>
|
||||
#include <iostream>
|
||||
|
||||
int CMyVektor::getDimension() {
|
||||
return dimension;
|
||||
}
|
||||
|
||||
// Vektor Element bei index i
|
||||
double& CMyVektor::operator[](int i) {
|
||||
return werte.at(i);
|
||||
}
|
||||
|
||||
// Betrag des Vektors
|
||||
double CMyVektor::length() {
|
||||
double l = 0.0;
|
||||
for (int i = 0; i < werte.size(); i++)
|
||||
l += pow(werte.at(i), 2);
|
||||
|
||||
return(sqrt(l));
|
||||
}
|
||||
|
||||
// Ausgabe im Vektorformat
|
||||
std::ostream& operator<< (std::ostream& os, CMyVektor& vektor) {
|
||||
os << "(";
|
||||
for (int i = 0; i < vektor.getDimension(); i++) {
|
||||
os << vektor[i];
|
||||
if (i < vektor.getDimension() - 1) os << "|";
|
||||
}
|
||||
os << ")";
|
||||
|
||||
return os;
|
||||
}
|
||||
|
||||
/* Vektor Addition
|
||||
a1 + b1 = a1+b1
|
||||
a2 + b2 = a2+b2
|
||||
: : :
|
||||
ai + bi = ai+bi
|
||||
*/
|
||||
CMyVektor operator+(CMyVektor a, CMyVektor b) {
|
||||
// Vektoren addierbar?
|
||||
if (a.getDimension() != b.getDimension())
|
||||
return a;
|
||||
|
||||
CMyVektor sum(a.getDimension());
|
||||
|
||||
for (int i = 0; i < a.getDimension(); i++)
|
||||
sum[i] = a[i] + b[i];
|
||||
|
||||
return sum;
|
||||
}
|
||||
|
||||
/* Skalare Multiplikation
|
||||
a1 * s = v1
|
||||
a2 * s = v2
|
||||
: : :
|
||||
ai * s = vi
|
||||
*/
|
||||
CMyVektor operator*(double s, CMyVektor a) {
|
||||
CMyVektor vektor(a.getDimension());
|
||||
|
||||
for (int i = 0; i < a.getDimension(); i++)
|
||||
vektor[i] = s * a[i];
|
||||
|
||||
return vektor;
|
||||
}
|
||||
|
||||
CMyVektor gradient(double f(CMyVektor x), CMyVektor x) {
|
||||
CMyVektor grad(x.getDimension());
|
||||
CMyVektor xh(x.getDimension()); // x mit "Wackelei" an x_i
|
||||
xh = x;
|
||||
|
||||
double fx = f(x);
|
||||
double h = 1e-8;
|
||||
|
||||
// Berechnung der partiellen Ableitung nach x_i und Zusammenfassung in grad
|
||||
for (int i = 0; i < x.getDimension(); i++) {
|
||||
// xh[0] xh[1] ... xh[n]
|
||||
// x_1+h,x_2,...,x_n x_1,x_2+h,...,x_n x_1,x_2,...,x_n+1
|
||||
xh[i] += h;
|
||||
|
||||
// grad[i] = df/dx_i => numerische Ableitung nach dem jeweilige x_i
|
||||
grad[i] = (f(xh) - fx) / h;
|
||||
|
||||
// Zurücksetzen der "Wackelei"
|
||||
xh[i] -= h;
|
||||
}
|
||||
return grad;
|
||||
}
|
||||
|
||||
CMyVektor gradientenverfahren(double f(CMyVektor x), CMyVektor x, double lambda) {
|
||||
int schritt_zaehler = 0;
|
||||
CMyVektor gradfx(x.getDimension());
|
||||
CMyVektor x_neu(x.getDimension());
|
||||
gradfx = gradient(f, x);
|
||||
|
||||
while (gradient(f, x).length() >= 1e-5 && schritt_zaehler < 25) {
|
||||
x_neu = x + lambda * gradfx;
|
||||
|
||||
std::cout
|
||||
<< "Schritt " << schritt_zaehler << ": " << std::endl
|
||||
<< " x = " << x << std::endl
|
||||
<< " λ = " << lambda << std::endl
|
||||
<< " f(x) = " << f(x) << std::endl
|
||||
<< " grad f(x) = " << gradfx << std::endl
|
||||
<< " ||grad f(x)|| = " << gradfx.length() << std::endl << std::endl
|
||||
<< " x_neu = " << x_neu << std::endl
|
||||
<< " f(x_neu) = " << f(x_neu) << std::endl << std::endl;
|
||||
|
||||
// Halbierung
|
||||
if (f(x_neu) <= f(x)) {
|
||||
double lamda_test = lambda * 0.5;
|
||||
CMyVektor x_test = x + lamda_test * gradfx;
|
||||
|
||||
std::cout
|
||||
<< " ↯ f(x) = " << f(x) << " ≥ f(x_neu) = " << f(x_neu) << std::endl << std::endl
|
||||
<< " ? Test mit halbierter Schrittweite (λ = " << lamda_test << "): " << std::endl
|
||||
<< " x_test = " << x_test << std::endl
|
||||
<< " f(x_test) = " << f(x_test) << std::endl << std::endl;
|
||||
|
||||
if (f(x) < f(x_test))
|
||||
std::cout
|
||||
<< " ✓ f(x) = " << f(x) << " < f(x_test) = " << f(x_test) << std::endl
|
||||
<< " ! Übernehme Schrittweite." << std::endl << std::endl;
|
||||
|
||||
// weiter Halbieren wenn f(x_test) <= f(x)
|
||||
while (f(x_test) <= f(x)) {
|
||||
std::cout
|
||||
<< " ↯ f(x) = " << f(x) << " ≥ f(x_test) = " << f(x_test) << std::endl << std::endl;
|
||||
|
||||
lamda_test *= 0.5;
|
||||
x_test = x + lamda_test * gradfx;
|
||||
|
||||
std::cout
|
||||
<< " ? Test mit halbierter Schrittweite (λ = " << lamda_test << "): " << std::endl
|
||||
<< " x_test = " << x_test << std::endl
|
||||
<< " f(x_test) = " << f(x_test) << std::endl << std::endl;
|
||||
|
||||
// Ausgabe beim letzten Durchlauf der Schleife
|
||||
if (!(f(x_test) <= f(x)))
|
||||
std::cout
|
||||
<< " ✓ f(x) = " << f(x) << " < f(x_test) = " << f(x_test) << std::endl << std::endl
|
||||
<< " ! Übernehme Schrittweite λ = " << lamda_test << std::endl << std::endl;
|
||||
}
|
||||
|
||||
lambda = lamda_test;
|
||||
x_neu = x_test;
|
||||
}
|
||||
|
||||
// Verdopplung
|
||||
else {
|
||||
double lamda_test = lambda * 2;
|
||||
CMyVektor x_test = x + lamda_test * gradfx;
|
||||
|
||||
std::cout
|
||||
<< " ? Test mit doppelter Schrittweite (λ = " << lamda_test << "): " << std::endl
|
||||
<< " x_test = " << x_test << std::endl
|
||||
<< " f(x_test) = " << f(x_test) << std::endl << std::endl;
|
||||
|
||||
if (f(x_test) > f(x_neu)) {
|
||||
x_neu = x_test;
|
||||
lambda = lamda_test;
|
||||
std::cout
|
||||
<< " ! Übernehme verdoppelte Schrittweite λ = " << lamda_test << std::endl
|
||||
<< " ✓ f(x_neu) = " << f(x_neu) << " < f(x_test) = " << f(x_test) << std::endl << std::endl;
|
||||
}
|
||||
else {
|
||||
std::cout
|
||||
<< " ↯ f(x_neu) = " << f(x_neu) << " ≥ f(x_test) = " << f(x_test) << std::endl
|
||||
<< " ! behalte aktuelle Schrittweite λ = " << lambda << std::endl << std::endl;
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
std::cout << std::endl;
|
||||
|
||||
x = x_neu;
|
||||
gradfx = gradient(f, x);
|
||||
schritt_zaehler++;
|
||||
}
|
||||
|
||||
// Zusammenfassung des Endes
|
||||
if (gradfx.length() < 1e-5)
|
||||
std::cout
|
||||
<< "Ende wegen ||grad f(x)|| < 10^-5 bei" << std::endl;
|
||||
|
||||
else
|
||||
std::cout
|
||||
<< "Ende wegen 25. Schritt" << std::endl;
|
||||
|
||||
std::cout
|
||||
<< " x = " << x << std::endl
|
||||
<< " λ = " << lambda << std::endl
|
||||
<< " f(x) = " << f(x) << std::endl
|
||||
<< " grad f(x) = " << gradfx << std::endl
|
||||
<< " ||grad f(x)|| = " << gradfx.length() << std::endl
|
||||
<< "-----------------------------------------------------" << std::endl << std::endl;
|
||||
|
||||
return x_neu;
|
||||
}
|
||||
34
P2/CMyVektor.h
Executable file
34
P2/CMyVektor.h
Executable file
@@ -0,0 +1,34 @@
|
||||
#pragma once
|
||||
#include <vector>
|
||||
#include <iostream>
|
||||
|
||||
class CMyVektor {
|
||||
private:
|
||||
int dimension;
|
||||
std::vector<double> werte;
|
||||
public:
|
||||
// Vektor mit Dimension anlegen
|
||||
CMyVektor(int n) : dimension{ n } {
|
||||
werte.resize(n);
|
||||
}
|
||||
|
||||
CMyVektor(std::vector<double> x) : dimension{ (int)x.size() } {
|
||||
werte.resize(x.size());
|
||||
for (int i = 0; i < x.size(); i++)
|
||||
werte[i] = x[i];
|
||||
}
|
||||
|
||||
int getDimension();
|
||||
double length();
|
||||
|
||||
// Komponente von Vektor übergeben
|
||||
double& operator[](int index);
|
||||
};
|
||||
|
||||
CMyVektor operator+(CMyVektor a, CMyVektor b);
|
||||
CMyVektor operator*(double lambda, CMyVektor a);
|
||||
|
||||
std::ostream& operator<< (std::ostream& os, CMyVektor& vektor);
|
||||
|
||||
CMyVektor gradient(double f(CMyVektor x), CMyVektor x);
|
||||
CMyVektor gradientenverfahren(double f(CMyVektor x), CMyVektor x, double lambda = 1.0);
|
||||
BIN
P2/Praktikum2.pdf
Executable file
BIN
P2/Praktikum2.pdf
Executable file
Binary file not shown.
41
P2/main.cpp
Executable file
41
P2/main.cpp
Executable file
@@ -0,0 +1,41 @@
|
||||
#include <math.h>
|
||||
#include "CMyVektor.h"
|
||||
#include "CMyMatrix.h"
|
||||
|
||||
using namespace std;
|
||||
|
||||
// f( [x,y] ) = sin(x * y) + sin(x) + cos(y)
|
||||
double ff(CMyVektor X) {
|
||||
double x = X[0];
|
||||
double y = X[1];
|
||||
|
||||
return (sin(x * y) + sin(x) + cos(y));
|
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}
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// g( [x,y,z] ) = -(2x^2 - 2xy + y^2 + z^2 - 2x - 4z)
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double gg(CMyVektor X) {
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double x = X[0];
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double y = X[1];
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||||
double z = X[2];
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return -(2 * pow(x, 2) - 2 * x * y + pow(y, 2) + pow(z, 2) - 2 * x - 4 * z);
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||||
}
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CMyVektor f(CMyVektor x) {
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CMyVektor result(3); // da f: R^4 -> R^3
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result[0] = x[0] * x[1] * exp(x[2]);
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||||
result[1] = x[1] * x[2] * x[3];
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||||
result[2] = x[3];
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return result;
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}
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int main() {
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cout << "Aufgabe_2 :\n" << jacobi(CMyVektor{ {1, 2, 0, 3} },
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[](CMyVektor x) -> CMyVektor { return { {x[0] * x[1] * exp(x[2]), x[1] * x[2] * x[3], x[3]} }; })
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<< endl;
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newtonverfahren({ {1, 1} },
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||||
[](CMyVektor x) -> CMyVektor { return { {pow(x[0], 3) * pow(x[1], 3) - 2 * x[1], x[0] - 2} }; });
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||||
return 0;
|
||||
}
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