Решите нелинейную систему уравнений в Mathematica

Я пытаюсь решить нелинейную систему уравнений в Mathemtica. Я пробовал Solve и NSolve, я также пытался определить числовые a_ {ij} и b_ {ij} и m33 = 1, чтобы упростить уравнение, но Mathematica работает слишком долго или я делаю что-то не так. В Mathematica я просто пытаюсь найти решение , но мне также нужна библиотека c / c ++, чтобы сделать это в моем коде.

Основное уравнение в «операторах»:

M[A[(x,y)]]=B[M[(x,y)]]

где «оператор» - это перспективное преобразование:

u= (m13 + m11*x + m12*y)/(m33 + m31*x + m32*y); 

v= (m23 + m21*x +m22*y)/(m33 + m31*x + m32*y);

Мой вклад в Mathematica:

Solve[(b13 + (b11 (m13 + m11 x1 + m12 y1))/(m33 + m31 x1 + 
         m32 y1) + (b12 (m23 + m21 x1 + m22 y1))/(m33 + m31 x1 + 
         m32 y1))/(b33 + (b31 (m13 + m11 x1 + m12 y1))/(m33 + m31 x1 +
          m32 y1) + (b32 (m23 + m21 x1 + m22 y1))/(m33 + m31 x1 + 
         m32 y1)) == (m13 + (m11 (a13 + a11 x1 + a12 y1))/(a33 + 
         a31 x1 + a32 y1) + (m12 (a23 + a21 x1 + a22 y1))/(a33 + 
         a31 x1 + a32 y1))/(m33 + (m31 (a13 + a11 x1 + a12 y1))/(a33 +
          a31 x1 + a32 y1) + (m32 (a23 + a21 x1 + a22 y1))/(a33 + 
         a31 x1 + 
         a32 y1)) && (b23 + (b21 (m13 + m11 x1 + m12 y1))/(m33 + 
         m31 x1 + m32 y1) + (b22 (m23 + m21 x1 + m22 y1))/(m33 + 
         m31 x1 + m32 y1))/(b33 + (b31 (m13 + m11 x1 + m12 y1))/(m33 +
          m31 x1 + m32 y1) + (b32 (m23 + m21 x1 + m22 y1))/(m33 + 
         m31 x1 + 
         m32 y1)) == (m23 + (m21 (a13 + a11 x1 + a12 y1))/(a33 + 
         a31 x1 + a32 y1) + (m22 (a23 + a21 x1 + a22 y1))/(a33 + 
         a31 x1 + a32 y1))/(m33 + (m31 (a13 + a11 x1 + a12 y1))/(a33 +
          a31 x1 + a32 y1) + (m32 (a23 + a21 x1 + a22 y1))/(a33 + 
         a31 x1 + 
         a32 y1)) && (b13 + (b11 (m13 + m11 x2 + m12 y2))/(m33 + 
         m31 x2 + m32 y2) + (b12 (m23 + m21 x2 + m22 y2))/(m33 + 
         m31 x2 + m32 y2))/(b33 + (b31 (m13 + m11 x2 + m12 y2))/(m33 +
          m31 x2 + m32 y2) + (b32 (m23 + m21 x2 + m22 y2))/(m33 + 
         m31 x2 + 
         m32 y2)) == (m13 + (m11 (a13 + a11 x2 + a12 y2))/(a33 + 
         a31 x2 + a32 y2) + (m12 (a23 + a21 x2 + a22 y2))/(a33 + 
         a31 x2 + a32 y2))/(m33 + (m31 (a13 + a11 x2 + a12 y2))/(a33 +
          a31 x2 + a32 y2) + (m32 (a23 + a21 x2 + a22 y2))/(a33 + 
         a31 x2 + 
         a32 y2)) && (b23 + (b21 (m13 + m11 x2 + m12 y2))/(m33 + 
         m31 x2 + m32 y2) + (b22 (m23 + m21 x2 + m22 y2))/(m33 + 
         m31 x2 + m32 y2))/(b33 + (b31 (m13 + m11 x2 + m12 y2))/(m33 +
          m31 x2 + m32 y2) + (b32 (m23 + m21 x2 + m22 y2))/(m33 + 
         m31 x2 + 
         m32 y2)) == (m23 + (m21 (a13 + a11 x2 + a12 y2))/(a33 + 
         a31 x2 + a32 y2) + (m22 (a23 + a21 x2 + a22 y2))/(a33 + 
         a31 x2 + a32 y2))/(m33 + (m31 (a13 + a11 x2 + a12 y2))/(a33 +
          a31 x2 + a32 y2) + (m32 (a23 + a21 x2 + a22 y2))/(a33 + 
         a31 x2 + 
         a32 y2)) && (b13 + (b11 (m13 + m11 x3 + m12 y3))/(m33 + 
         m31 x3 + m32 y3) + (b12 (m23 + m21 x3 + m22 y3))/(m33 + 
         m31 x3 + m32 y3))/(b33 + (b31 (m13 + m11 x3 + m12 y3))/(m33 +
          m31 x3 + m32 y3) + (b32 (m23 + m21 x3 + m22 y3))/(m33 + 
         m31 x3 + 
         m32 y3)) == (m13 + (m11 (a13 + a11 x3 + a12 y3))/(a33 + 
         a31 x3 + a32 y3) + (m12 (a23 + a21 x3 + a22 y3))/(a33 + 
         a31 x3 + a32 y3))/(m33 + (m31 (a13 + a11 x3 + a12 y3))/(a33 +
          a31 x3 + a32 y3) + (m32 (a23 + a21 x3 + a22 y3))/(a33 + 
         a31 x3 + 
         a32 y3)) && (b23 + (b21 (m13 + m11 x3 + m12 y3))/(m33 + 
         m31 x3 + m32 y3) + (b22 (m23 + m21 x3 + m22 y3))/(m33 + 
         m31 x3 + m32 y3))/(b33 + (b31 (m13 + m11 x3 + m12 y3))/(m33 +
          m31 x3 + m32 y3) + (b32 (m23 + m21 x3 + m22 y3))/(m33 + 
         m31 x3 + 
         m32 y3)) == (m23 + (m21 (a13 + a11 x3 + a12 y3))/(a33 + 
         a31 x3 + a32 y3) + (m22 (a23 + a21 x3 + a22 y3))/(a33 + 
         a31 x3 + a32 y3))/(m33 + (m31 (a13 + a11 x3 + a12 y3))/(a33 +
          a31 x3 + a32 y3) + (m32 (a23 + a21 x3 + a22 y3))/(a33 + 
         a31 x3 + 
         a32 y3)) && (b13 + (b11 (m13 + m11 x4 + m12 y4))/(m33 + 
         m31 x4 + m32 y4) + (b12 (m23 + m21 x4 + m22 y4))/(m33 + 
         m31 x4 + m32 y4))/(b33 + (b31 (m13 + m11 x4 + m12 y4))/(m33 +
          m31 x4 + m32 y4) + (b32 (m23 + m21 x4 + m22 y4))/(m33 + 
         m31 x4 + 
         m32 y4)) == (m13 + (m11 (a13 + a11 x4 + a12 y4))/(a33 + 
         a31 x4 + a32 y4) + (m12 (a23 + a21 x4 + a22 y4))/(a33 + 
         a31 x4 + a32 y4))/(m33 + (m31 (a13 + a11 x4 + a12 y4))/(a33 +
          a31 x4 + a32 y4) + (m32 (a23 + a21 x4 + a22 y4))/(a33 + 
         a31 x4 + 
         a32 y4)) && (b23 + (b21 (m13 + m11 x4 + m12 y4))/(m33 + 
         m31 x4 + m32 y4) + (b22 (m23 + m21 x4 + m22 y4))/(m33 + 
         m31 x4 + m32 y4))/(b33 + (b31 (m13 + m11 x4 + m12 y4))/(m33 +
          m31 x4 + m32 y4) + (b32 (m23 + m21 x4 + m22 y4))/(m33 + 
         m31 x4 + 
         m32 y4)) == (m23 + (m21 (a13 + a11 x4 + a12 y4))/(a33 + 
         a31 x4 + a32 y4) + (m22 (a23 + a21 x4 + a22 y4))/(a33 + 
         a31 x4 + a32 y4))/(m33 + (m31 (a13 + a11 x4 + a12 y4))/(a33 +
          a31 x4 + a32 y4) + (m32 (a23 + a21 x4 + a22 y4))/(a33 + 
         a31 x4 + a32 y4)) && m33 == 1, {m11, m12, m13, m21, m22, m23,
   m31, m32}]

math numerical-methods wolfram-mathematica nonlinear-functions numerical
person mrgloom    schedule 31.07.2012    source источник
comment
Вы используете программу для генерации входных данных Mathematica, верно? ;)   -  person irrelephant    schedule 31.07.2012
comment
Я делаю замены с помощью Mathematica, чтобы получить два уравнения, а затем копирую и вставляю их 4 раза, чтобы получить 8 уравнений для 4 точек (x1, y1), ..., (x4, y4).   -  person mrgloom    schedule 31.07.2012
comment
@mrgloom Не могли бы вы пояснить, где u,v входит в первое уравнение?   -  person b.gatessucks    schedule 01.08.2012
comment
@ b.gatessucks u, v просто результат операции, например (u, v) = A [(x, y)], а затем мы подставляем (u, v) в M и получаем M [(u, v)]. A, B, M - одни и те же операторы, просто разные константы a (ij), b (ij), m (ij).   -  person mrgloom    schedule 01.08.2012
comment
Это кажется переопределенным: 9 уравнений, 8 неизвестных. Неудивительно, что случайная замена a11 и др. Дает пустой набор решений.   -  person Daniel Lichtblau    schedule 02.08.2012
comment
Хорошо, я предполагаю, что m33 задумывался как переменная, поэтому она не является переопределенной.   -  person Daniel Lichtblau    schedule 02.08.2012
comment
Этот вопрос кажется не по теме, потому что он касается Mathematica и для этого есть специальный сайт StackExchange.   -  person Saullo G. P. Castro    schedule 19.01.2014

Ответы (1)


arrow_upward
4
arrow_downward

Чтобы иметь хоть какой-то шанс, вам понадобятся фактические числа вместо переменных параметров. В противном случае система будет слишком большой, чтобы с ней можно было справиться.

Чтобы проиллюстрировать это, я создал многочлены (игнорируя сценарии исчезновения знаменателя), а затем произвел случайные числовые замены для параметров. Я мог бы удалить m33 путем замены, но решил оставить в системе m33-1 == 0. Таким образом, для какого-либо одного уравнения не требовалось специальной обработки. Для эффективности можно рассмотреть возможность такого исключения для подмножеств уравнений, линейных по своим переменным.

In[40]:= exprs = Apply[Subtract, eqns, {1}];
e2 = Together[exprs];
polys = Numerator[e2];

In[62]:= allvars = Variables[polys];
vars = {m11, m12, m13, m21, m22, m23, m31, m32, m33};
params = Complement[allvars, vars]

Out[64]= {a11, a12, a13, a21, a22, a23, a31, a32, a33, b11, b12, b13, \
b21, b22, b23, b31, b32, b33, x1, x2, x3, x4, y1, y2, y3, y4}

In[69]:= SeedRandom[11111];
substitutions = 
  Thread[params -> RandomInteger[{-1000, 1000}, Length[params]]];

In[71]:= numpolys = polys /. substitutions;

NSolve решил, что система на самом деле недоопределена, то есть ваши уравнения имеют избыточность (алгебраическую зависимость, говоря более технически). Таким образом, он пересекся с псевдослучайной гиперплоскостью и затем получил конечное множество решений.

In[73]:= Timing[solns = NSolve[numpolys == 0, vars];]

During evaluation of In[73]:= NSolve::infsolns: Infinite solution set has dimension at least 1. Returning intersection of solutions with (107814 m11)/118505-(177066 m12)/118505-(164294 m13)/118505+(32943 m21)/23701+(186238 m22)/118505-(126102 m23)/118505-(178233 m31)/118505-(185338 m32)/118505+(141088 m33)/118505 == 1.

Out[73]= {357.420000, Null}

Вот решения в этом случае.

In[74]:= solns // N

Out[74]= {{m11 -> -2.22241, m12 -> 0., m13 -> -2.41203, 
  m21 -> -0.539924, m22 -> 2.33146*10^-172, m23 -> -0.585993, 
  m31 -> 0.921382, m32 -> -4.05984*10^-172, 
  m33 -> 1.}, {m11 -> -2.22241, m12 -> 0., m13 -> -2.41203, 
  m21 -> -0.539924, m22 -> 2.33146*10^-172, m23 -> -0.585993, 
  m31 -> 0.921382, m32 -> -4.05984*10^-172, 
  m33 -> 1.}, {m11 -> -2.22241, m12 -> 0., m13 -> -2.41203, 
  m21 -> -0.539924, m22 -> 2.33146*10^-172, m23 -> -0.585993, 
  m31 -> 0.921382, m32 -> -4.05984*10^-172, 
  m33 -> 1.}, {m11 -> -0.029351, m12 -> 0., m13 -> 0.409304, 
  m21 -> 0.0182228, m22 -> -2.19075*10^-169, m23 -> -0.25412, 
  m31 -> -0.0717095, m32 -> 2.05529*10^-169, 
  m33 -> 1.}, {m11 -> -0.029351, m12 -> 0., m13 -> 0.409304, 
  m21 -> 0.0182228, m22 -> -2.19075*10^-169, m23 -> -0.25412, 
  m31 -> -0.0717095, m32 -> 2.05529*10^-169, 
  m33 -> 1.}, {m11 -> -0.029351, m12 -> 0., m13 -> 0.409304, 
  m21 -> 0.0182228, m22 -> -2.19075*10^-169, m23 -> -0.25412, 
  m31 -> -0.0717095, m32 -> 2.05529*10^-169, 
  m33 -> 1.}, {m11 -> 0.541883, m12 -> 0., m13 -> -0.123031, 
  m21 -> -4.58369, m22 -> -5.60174*10^-170, m23 -> 1.0407, 
  m31 -> -4.40445, m32 -> -5.32622*10^-170, 
  m33 -> 1.}, {m11 -> 0.541883, m12 -> 0., m13 -> -0.123031, 
  m21 -> -4.58369, m22 -> -5.60174*10^-170, m23 -> 1.0407, 
  m31 -> -4.40445, m32 -> -5.32622*10^-170, 
  m33 -> 1.}, {m11 -> 0.541883, m12 -> 0., m13 -> -0.123031, 
  m21 -> -4.58369, m22 -> -5.60174*10^-170, m23 -> 1.0407, 
  m31 -> -4.40445, m32 -> -5.32622*10^-170, m33 -> 1.}}

Мы проверяем, что они удовлетворяют исходным выражениям с очень маленькими числовыми остатками.

In[76]:= exprs /. substitutions /. solns

Out[76]= {{-4.44089*10^-16, 1.11022*10^-16, -8.88178*10^-16, 0., 
  0., -1.11022*10^-16, -4.44089*10^-16, 1.11022*10^-16, 
  0.}, {-4.44089*10^-16, 1.11022*10^-16, -8.88178*10^-16, 0., 
  0., -1.11022*10^-16, -4.44089*10^-16, 1.11022*10^-16, 
  0.}, {-4.44089*10^-16, 1.11022*10^-16, -8.88178*10^-16, 0., 
  0., -1.11022*10^-16, -4.44089*10^-16, 1.11022*10^-16, 
  0.}, {-2.22045*10^-16, 1.11022*10^-16, -1.66533*10^-16, 
  1.11022*10^-16, -5.55112*10^-17, 1.11022*10^-16, -1.11022*10^-16, 
  5.55112*10^-17, 0.}, {-2.22045*10^-16, 
  1.11022*10^-16, -1.66533*10^-16, 1.11022*10^-16, -5.55112*10^-17, 
  1.11022*10^-16, -1.11022*10^-16, 5.55112*10^-17, 
  0.}, {-2.22045*10^-16, 1.11022*10^-16, -1.66533*10^-16, 
  1.11022*10^-16, -5.55112*10^-17, 1.11022*10^-16, -1.11022*10^-16, 
  5.55112*10^-17, 0.}, {2.34535*10^-15, -1.11022*10^-15, 
  1.11022*10^-16, 2.22045*10^-16, 1.31839*10^-15, -1.11022*10^-15, 
  1.249*10^-15, -6.66134*10^-16, 
  0.}, {2.34535*10^-15, -1.11022*10^-15, 1.11022*10^-16, 
  2.22045*10^-16, 1.31839*10^-15, -1.11022*10^-15, 
  1.249*10^-15, -6.66134*10^-16, 
  0.}, {2.34535*10^-15, -1.11022*10^-15, 1.11022*10^-16, 
  2.22045*10^-16, 1.31839*10^-15, -1.11022*10^-15, 
  1.249*10^-15, -6.66134*10^-16, 0.}}
person Daniel Lichtblau    schedule 02.08.2012
comment
извините, я не могу понять. Скажите, пожалуйста, хоть как называется техника, которую вы используете? Также я могу указать действительные числа для a (i, j) b (i, j), чтобы мы могли протестировать решение. И здесь math.stackexchange.com/questions/177075/ люди говорят, что это нелинейное уравнение можно решить в трехмерном пространстве как матричное уравнение, может быть, будет проще решить его таким образом? - person mrgloom; 03.08.2012
comment
например, матрица A (0-1 300 1 0 0 0 0 1) матрица B (-0,4009 -1,0787 446,1463 1,6180 0,8875 -159,2272 0,0003 0,0029 1), но проблема может быть в том, что матрица B была найдена с некоторой ошибкой. - person mrgloom; 03.08.2012
comment
Мое предложение, основанное на ответе math.stackexchange, состояло в том, чтобы попытаться переформулировать это как вычисление нулевого пространства матрицы. Используя ненулевой допуск, вы можете преодолеть небольшую числовую ошибку во входных параметрах. - person Daniel Lichtblau; 04.08.2012
comment
Вы можете быть более конкретным? как матричное пустое пространство может мне помочь? - person mrgloom; 06.08.2012
comment
Если у вас есть матрица eqn в форме AM = MB с известными A, B и M матрицей неизвестных, то AM-MB = 0, и это можно переформулировать как матрицу-вектор-раз = 0, следовательно, вычисление нулевого пространства . - person Daniel Lichtblau; 06.08.2012
comment
Я обнаружил, что существует метод проверки наличия нетривиальных решений NullSpace[KroneckerProduct[IdentityMatrix[n], A]-KroneckerProduct[B, IdentityMatrix[n]]] и resultant(det(A−λE),det(B−λE),λ)=0, но кажется, что математика дает тривиальное решение для этого метода тестирования, если я помещаю матрицы с параметрами. - person mrgloom; 07.08.2012