Eduardo Camponogara. DAS-5103: Cálculo Numérico para Controle e Automação. Departamento de Automação e Sistemas Universidade Federal de Santa Catarina

Transcrição

1 Eduardo Camponogara Departamento de Automação e Sistemas Universidade Federal de Santa Catarina DAS-5103: Cálculo Numérico para Controle e Automação 1/48

2 Sumário Arredondamentos Erros 2/48

3 Sumário Arredondamentos Erros 3/48

4 Introdução Tópicos do Capítulo 1. Representação aproximada de números reais em notação digital nas máquinas computacionais 2. Definição de sistema de ponto flutuante 3. Funções de arredondamento 4. Tipos de erros que surgem com arredondamentos 5. Diferença entre precisão e exatidão 6. Instabilidade de algoritmos e de problemas 4/48

5 Sistema de Ponto Flutuante Números reais são aproximados por números racionais em máquinas digitais de precisão finita (número de dígitos limitados) Erros podem ser amplificados à medida que operações aritméticas são executadas É necessário representar números reais em máquinas computacionais É importante entender como que as operações são executadas 5/48

6 Sistema de Ponto Flutuante Importância Tal conhecimento servirá de base para análise e depuração de algoritmos Será útil na validação de resultados obtidos através de métodos numéricos 6/48

7 Exemplo Vamos utilizar várias máquinas para calcular a expressão abaixo: H = 1/2 X = 2/3 H Y = 3/5 H E = (X +X +X) H F = (Y +Y +Y +Y +Y) H G = F/E Os resultados destas operações nas máquinas HP-25, SR-50, PCRII, IBM-4341 e Matlab (IBM-PC) serão apresentados Os resultados variam significativamente, dependendo da capacidade de representação destas máquinas 7/48

8 Exemplo Resultados de Operações Aritméticas Tabela: Operações Aritméticas HP 25 SR50 PCRII H = 0.5 H = 0.5 H = 0.5 X = X = X = Y = 0.1 Y = 0.1 Y = 0.1 E = E = E = F = 0 F = 0 F = 0 G = nd G = nd G = nd 8/48

9 Exemplo Resultados de Operações Aritméticas Tabela: Operações Aritméticas IBM4341 Matlab H = 0.5 H = 0.5 X = X = Y = 0.1 Y = 0.1 E = E = F = F = G = G = 1 9/48

10 Exemplo G = F/E (Y +Y +Y +Y +Y) H = (X +X +X) H (3/5 H +3/5 H +3/5 H +3/5 H +3/5 H) 1/2 = (2/3 H +2/3 H +2/3 H) 1/2 = 5 3/5 5 1/2 1/2 3 2/3 3 1/2 1/2 = 3 5/2 1/2 2 3/2 1/2 = = /48

11 Definição: Número de Ponto Flutuante Definição x R é dito número de ponto flutuante normalizado se valer: 1) x = m b e 2) m = ±0 d 1 d 2...d n,n N 3) 1 d 1 b 1 e 0 d j b 1, j = 2,...,n 4) e 1 e e 2, sendo e 1 0,e 2 1,e 1,e 2 Z onde: b é chamado de base, b 2 e é o expoente (e 1 é o menor e e 2 é o maior expoente) m é chamado de mantissa n é o número máximo de dígitos na representação do número d j, j = 1,...,n, são os dígitos do número 11/48

12 Definição: Sistema de Ponto Flutuante Definição A união de todos os números de ponto flutuante com o ZERO, que é representado na seguinte forma: 0 = b e1 é chamado de sistema de ponto flutuante. Notação Usualmente, procuramos representar um sistema de ponto flutuante por F = F(b,n,e 1,e 2 ), onde e 1 e e 2 são respectivamente o menor e o maior expoente, b é a base e n é a precisão. 12/48

13 Sistema de Ponto Flutuante: Exemplo Exemplos Alguns exemplos de sistemas de ponto flutuante: 1) HP25: F(10,9, 98,100) 2) IBM 360/370: F(16,6, 64,63) 3) B6700: F(8,13, 51,77) 13/48

14 Sistema de Ponto Flutuante: Propriedades Propriedades Algumas propriedades de sistemas de ponto flutuante são: Menor número em módulo: Maior número: Cardinalidade de F = F(b,n,e 1,e 2 ) : #F = 2(b 1)(b n 1 )(e 2 e 1 +1)+1 14/48

15 Sistema de Ponto Flutuante: Propriedades Algumas propriedades de sistemas de ponto flutuante são: Menor número em módulo: 0.1 b e 1 Maior número: 0.[b 1][b 1]...[b 1] b e 2 15/48

16 Sistema de Ponto Flutuante: Propriedades Algumas propriedades de sistemas de ponto flutuante são: Cardinalidade de F = F(b,n,e 1,e 2 ) : #F = 2(b 1)(b n 1 )(e 2 e 1 +1)+1, que pode ser obtido adicionando-se as parcelas: O número de mantissas positivas é dado por (b 1)(b n 1 ) Como cada uma dessas mantissas pode ter um dos (e 2 e 1 +1) expoentes possíveis, temos ao todo (b 1)(b n 1 )(e 2 e 1 +1) números possíveis Logo, incluindo os negativos e o zero, obtemos #F = 2(b 1)(b n 1 )(e 2 e 1 +1)+1 16/48

17 Sistema de Ponto Flutuante: Propriedades Para qualquer mantissa m, vale b 1 m < 1, pois: m < 1, pois toda a mantissa tem como primeiro dígito o ZERO m b 1, pois se m < b 1, não teríamos um número normalizado, pois o primeiro dígito após o ponto não é nulo. 17/48

18 Sistema de Ponto Flutuante: Exemplo Exemplo Seja F = F(2,3, 1,2). Para este sistema, as mantissas são: 0.100, 0.101, 0.110, e Por outro lado, os expoentes admissíveis são -1, 0, 1 e 2. Assim temos os seguintes números positivos: ( ) 2 = (0.01) 2 = = 1/4 ( ) 2 = (0.1) 2 = = 1/2 ( ) 2 = (1) 2 = 1 ( ) 2 = (10) 2 = 2 1 = 2 e assim sucessivamente 18/48

19 Sistema de Ponto Flutuante: Exemplo Elementos Tabela: Elementos do sistema de ponto flutuante F(2,3, 1,2) mantissa m e b e /2 1/4 5/16 3/8 7/ /2 5/8 3/4 7/ /4 3/2 7/ /2 3 7/2 19/48

20 Overflow e Underflow Regiões de Overflow e Underflow Outras noções importantes se referem aos limites de representação de um sistema de ponto flutuante. Região de Underflow: região situada entre o maior número de ponto flutuante negativo e o ZERO e, simetricamente, entre o menor número de ponto flutuante positivo e o ZERO. Região de Overflow: regiões situadas aquém do menor número de ponto flutuante negativo e além do maior número de ponto flutuante positivo. 20/48

21 Representação e Erros Representação de Números Seja F = F(2,3, 1,2) um sistema de ponto flutuante. Tomemos em F, x = 5 4 e y = 3 8. Note que z = x +y = = 13 8 é tal que z / F, pois 13 8 = ( ) 2 que possui um dígito a mais na mantissa do que o permitido. 21/48

22 Representação e Erros Representação de Números Na realidade, podemos escolher entre 3 2 = ( ) 2 ou 7 4 = ( ) 2 o que dá origem a diferentes tipos de arredondamentos Erros são cometidos ao se aproximar z = x +y com um elemento de F. 22/48

23 Notação Notação Seja {,,, } o conjunto de operações executados por um algoritmo de ponto flutuante equivalentes às operações do conjunto {+,,/, }. Podemos verificar facilmente que: x y x +y e x y x y 23/48

24 Notação Notação Considere o sistema F = F(2,5, 98,100) e os números: (0.1) 10 = ( ) 2 / F (0.1) 10 ( ) 2 F. Somando ( ) sucessivamente dez vezes, teremos: ( ) 2 = ( ) 10 (1.0) 10 24/48

25 Exemplo Para um sistema de ponto flutuante F = F(2,3, 1,2), seja: x = 5 8, y = 3 8, e z = 3 4, então: (x y) z = (( ) ( )) ( ) = ( ) = = /48

26 Exemplo Então: (x y) z = (( ) ( )) ( ) = ( ) = = 1.11 x (y z) = ( ) = = = 1.10 Logo: (x y) z x (y z) 26/48

27 Exemplo Para o sistema de ponto flutuante F = F(2,3, 1,2), seja x = 7 8, y = 5 4, e z = 3 8, então, podemos verificar que: x (y z) = ( ) = = = = = /48

28 Exemplo Podemos verificar que: x (y z) = ( ) = = = = = 1.01 (x y) (x z) = ( ) ( ) = = = = = 1.01 Neste caso x (y z) = (x y) (x z) 28/48

29 Arredondamentos Sumário Arredondamentos Erros 29/48

30 Arredondamentos Arredondamentos Conforme visto na discussão acima, há diferentes maneiras de se aproximar um número real para um número de ponto flutuante. Surge a questão de como se realizar tal aproximação. Definition Seja F(b,n,e 1,e 2 ) um sistema de ponto flutuante. Uma função : R F é considerada um arredondamento se valer: x F, (x) = x 30/48

31 Arredondamentos Tipos de Arredondamento Arredondamentos Tipos de arredondamento Arredondamento para cima ou por excesso: x Arredondamento para baixo ou por falta: x Arredondamento para o número de máquina mais próximo: ox 31/48

32 Arredondamentos Arredondamento: Exemplo Seja F = F(2,3, 1,2) o sistema de ponto flutuante. O número 9 8 / F, pois: 9 8 = (1.125) 10 = ( ) 2. Podemos arredondar 9 8 para ( ) 2 = (1.0) 10 ou para ( ) 2 = ( 5 4 ) 10 = (1.25) 10. No primeiro caso, temos ( 9 8 ) = ( ), já no segundo caso temos ( 9 8 ) = ( ) 32/48

33 Arredondamentos Arredondamento: Exemplo Exemplos Seja F = F(10,4, 98,10) o sistema de ponto flutuante, e sejam: x = y = z = Então obtemos os seguintes números para os diferentes arredondamento: (x) = (y) = (z) = (x) = (y) = (z) = ox = oy = oz = /48

34 Arredondamentos Arredondamento: Definições Definição Um arredondamento : R F é dito por falta se valer: x R, (x) x. Definição Um arredondamento : R F é dito por excesso se valer: x R, (x) x. Definição Um arredondamento é dito monotônico se valer: x,y R,x y (x) (y). Note que (x) é um arredondamento monotônico por falta, enquanto (x) é um arredondamento monotônico por excesso. 34/48

35 Erros Sumário Arredondamentos Erros 35/48

36 Erros Tipos de Erros Conceitos Toda vez que executamos um arredondamento que não admite uma representação exata em F, cometemos um erro. Há várias causas de erro. Aqui vamos estudar três tipos de erro: Erros Inerentes: Erros de Discretização: Erros de Arredondamento: 36/48

37 Erros Tipos de Erros Tipos de Erros Erros Inerentes: aparecem na criação ou simplificação de um modelo matemático de determinado sistema (erros na medição, identificação). 37/48

38 Erros Tipos de Erros Tipos de Erros Erros de Discretização: erros cometidos quando se substitui qualquer processo infinito por um processo finito ou discreto como, por exemplo: e = i=0 1 i! é aproximado com a série finita e = T i=0 1 i! 38/48

39 Erros Tipos de Erros Tipos de Erros Erros de Arredondamento: surgem quando trabalhamos com máquinas digitais para representar os números reais. Em geral trabalhamos com arredondamento para o número de ponto flutuante mais próximo ou com o arredondamento por falta. 39/48

40 Erros Definição de Erros A diferença entre o valor arredondado e o valor exato pode ser medida pelo erro absoluto ou pelo erro relativo, cujas definições são dadas a seguir. Definição O erro absoluto E A é dado por: E A = (x) x. Definição O erro relativo E R é dado por E R = (x) x x ou E R = (x) x (x) 40/48

41 Erros Erros Relativo Erro Absoluto Preferência de Métrica de Erros Erros relativos são mais usados que os erros absolutos. Um exemplo de erro absoluto e erro relativo é dado abaixo: x = (x) = E A = E R = = 0.2 Alguns resultados teóricos podem ser estabelecidos sobre limites de erros levando em consideração propriedades do sistema de ponto flutuante. 41/48

42 Erros Um Primeiro Teorema Teorema Seja F = F(b,n,e 1,e 2 ) um sistema de ponto flutuante. Então vale: x R,b e 1 1 x B (x) x (x) µ, onde: B é o maior número em módulo do sistema de ponto flutuante F, e { 1 µ = 2 b1 n, no caso de x = ox b 1 n, no caso de x = x O teorema acima só é válido quando x está dentro do espectro de representação de F, ou seja, b e 1 1 x B. No caso de underflow x < b e 1 1 ou overflow x > B, não é 42/48

43 Erros Dígitos Significativos Na prática, quando obtemos um resultado de uma expressão numérica avaliada numa máquina e não podemos saber o valor exato, torna-se impossível calcular o erro relativo ou absoluto. Definição Em um sistema decimal, um dígito é significativo se for 1,2,...,9. O dígito 0 é significante, exceto quando for usado para fixar a vírgula, ou o ponto decimal, ou preencher o lugar de dígitos descartados. Exemplo dígitos significativos dígitos significativos dígitos significativos 43/48

44 Erros Dígitos Significativos Exatos Definição Um dígito significativo é exato se, arredondando-se o número aproximado para uma posição imediatamente após aquela posição do dígito, isso fizer com que o erro absoluto não seja maior do que a meia unidade naquela posição do dígito. Abreviamos o digito significativo exato por DIGSE. Exemplo Os números e são aproximações para 2 3. No entanto, todos os dígitos significativos do primeiro são exatos, enquanto no segundo só os três primeiros. 44/48

45 Erros Dígitos Significativos Exatos: Exemplo Primeiro Caso: o dig) = < o dig) = < o dig) = < o dig) = < Logo todos os dígitos são significativos exatos. 45/48

46 Erros Dígitos Significativos Exatos: Exemplo Segundo Caso: Para o primeiro dígito 9 temos = logo, o primeiro dígito 9 já não é exato. 46/48

47 Erros Outro Teorema Teorema Se E R 1 2 b m, então o número é correto em m dígitos significativos exatos. 47/48

48 Erros Comentários Finais Fim! Obrigado pela presença 48/48