Publication: Alan Turing and the origins of modern Gaussian elimination

ISSN: 0210-1963
2012-10
Publisher
Centro Superior de Investigaciones Científicas
Abstract
The solution of a system of linear equations is by far the most important problem in Applied Mathematics. It is important both in itself and because it is an intermediate step in many other important problems. Gaussian elimination is nowadays the standard method for solving this problem numerically on a computer and it was the first numerical algorithm to be subjected to rounding error analysis. In 1948, Alan Turing published a remarkable paper on this topic: "Rounding-off errors in matrix processes" (Quart. J. Mech. Appl. Math. 1, pp. 287-308). In this paper, Turing formulated Gaussian elimination as the matrix LU factorization and introduced the "condition number of a matrix", both of them fundamental notions of modern Numerical Analysis. In addition, Turing presented an error analysis of Gaussian elimination for general matrices that deeply influenced the spirit of the definitive analysis developed by James Wilkinson in 1961. Alan Turing's work on Gaussian elimination appears in a fascinating period for modern Numerical Analysis. Other giants of Mathematics, as John von Neumann, Herman Goldstine, and Harold Hotelling were also working in the mid-1940s on Gaussian elimination. The goal of these researchers was to find an efficient and reliable method for solving systems of linear equations in modern "automatic computers". At that time, it was not clear at all whether Gaussian elimination was a right choice or not. The purpose of this paper is to revise, at an introductory level, the contributions of Alan Turing and other authors to the error analysis of Gaussian elimination, the historical context of these contributions, and their influence on modern Numerical Analysis.
La resolución de sistemas de ecuaciones lineales es sin duda el problema más importante en Matemática Aplicada. Es importante en sí mismo y también porque es un paso intermedio en la resolución de muchos otros problemas de gran relevancia. La eliminación Gaussiana es hoy en día el método estándar para resolver este problema en un ordenador y, además, fue el primer algoritmo numérico para el que se realizó un análisis de errores de redondeo. En 1948, Alan Turing publicó un artículo de gran relevancia sobre este tema: “Rounding-off errors in matrix processes” (Quart. J. Mech. Appl. Math. 1, pp. 287-308). En este artículo, Turing formuló la eliminación Gaussiana en términos de la factorización LU de una matriz e introdujo la noción de número de condición de una matriz, que son dos de las nociones más fundamentales del Análisis Numérico moderno. Además, Turing presentó un análisis de errores de la eliminación Gaussiana para matrices generales que influyó profundamente en el espíritu del análisis de errores definitivo desarrollado por Wilkinson en 1961. El trabajo de Alan Turing sobre la eliminación Gaussiana aparece en un periodo fascinante del Análisis Numérico moderno. Otros gigantes de las matemáticas como John von Neumann, Herman Goldstine y Harold Hotelling también realizaron investigaciones sobre la eliminación Gaussiana en la década de 1940-50. El objetivo de estos investigadores era encontrar un método eficiente y fiable para resolver sistemas de ecuaciones lineales en los ordenadores modernos que estaban desarrollándose por entonces. En aquella época, no estaba claro en absoluto si utilizar la eliminación Gaussiana era una elección adecuada o no. El propósito de este artículo es revisar, a nivel básico, las contribuciones realizadas por Alan Turing y otros investigadores al análisis de errores de la eliminación Gaussiana, el contexto histórico de esas contribuciones y su influencia en el Análisis Numérico moderno.
Description
The proceeding at: The International Symposium "The Alan Turing Legacy" held in Madrid (Spain) in October 23-24, 2012. This symposium was organized and funded by the Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales of Spain and Fundación Ramón Areces.
Keywords
Álgebra lineal numérica, análisis de errores de redondeo, análisis numérico, eliminación Gaussiana, errores regresivos, factorización LU de una matriz, número de condición de una matriz, Turing, von Neumann, Wilkinson, backward errors, condition number of a matrix, Gaussian elimination, Goldstine, LU factorization of matrices, numerical analysis, numerical linear algebra, rounding error analysis.
Bibliographic citation
Arbor, 189 (2013) 764, a084