- •Численные методы,
- •Введение
- •1. Абсолютная и относительная погрешности.
- •1.1. Число верных знаков приближенного числа
- •1.2. Погрешность функций
- •1.3. Погрешность простейших функций двух переменных
- •1.4. Примеры и задания
- •2. Приближение функций
- •2.1. Интерполяционные полиномы
- •2.2. Интерполяционный полином Лагранжа
- •2.3. Интерполяционный полином Ньютона
- •2.3. Примеры и задания для практических занятий
- •Второй интерполяционный полином Ньютона:
- •3. Численные методы решений трансцендентных и алгебраических уравнений
- •3.1. Метод простой итерации для решения нелинейных и трансцендентных уравнений
- •3.2. Метод хорд и секущих
- •3.3. Метод касательных
- •Скорость сходимости итерационных методов
- •Условие выхода из вычислительного процесса по заданной точности в методах простой итерации
- •Пример и задание для практических занятий
- •4. Численное интегрирование
- •4.1. Метод Ньютона – Котеса
- •4.2. Метод прямоугольников.
- •4.3. Метод трапеций
- •4.4. Метод парабол. (Метод Симпсона)
- •4.5. Квадратурные формулы Гаусса
- •4.6. Задание для практических занятий
- •Численные методы линейной алгебры
- •5.1. Численное решение слау
- •5.2. Прямые методы решения слау
- •5.2.1. Метод Гаусса (Метод исключений)
- •5.2.2. Вычислительная схема метода Гаусса
- •5.2.3. Ортогонализация матриц
- •5.2.4. Решение системы уравнений методом ортогонализации
- •5.3. Итерационные методы решения слау
- •5.3.1. Метод простой итерации
- •5.3.2. Метод Якоби и метод Зейделя
- •5.3.3. Метод оптимального спектрального параметра (осп) для простой итерации
- •5.4. Нахождение собственных векторов и собственных значений матриц
- •5.5. Примеры и задания к теме
- •5.5.1. Прямые методы решения слау
- •5.5.2. Итерационные методы решения слау
- •5.5.3. Нахождение собственных значений и векторов
- •6. Численные методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений
- •6.1. Метод разложения в ряд Тейлора
- •6.2. Общая схема метода Рунге - Кутта
- •6.3 Методы Рунге-Кутта низших порядков
- •6.3.1 Метод Эйлера
- •6.3.2. Метод трапеций и прямоугольника
- •6.4. Методы Рунге-Кутта высших порядков
- •6.5. Задание к теме и пример решения оду
- •Численное решение начально-краевых задач для дифференциальных уравнений в частных производных
- •Конечные разности.
- •Гиперболические уравнения
- •Параболические уравнения
- •Уравнения эллиптического типа
- •7.4.1. Разностная схема уравнений
- •Лабораторные задания к теме «Численное решение уравнений в частных производных»
- •7.5.1. Гиперболические уравнения
- •7.5.2. Параболические уравнения
- •7.5.3. Эллиптические уравнения
- •Литература
- •Содержание
7.4.1. Разностная схема уравнений
Разностную схему рассмотрим на примере уравнения Пуассона в прямоугольнике, используя для аппроксимации второй производной конечные разности второго порядка точности (7.1.4). Вводя сетку , получаем ,
или , введя обозначение , получаем пятиточечную разностную схему для внутренних узлов прямоугольника
(7.4.1)
Данная неявная схема охватывает все внутренние точки области , их количество . Таково же число уравнений и неизвестных в СЛАУ, построенной на основе (7.4.1).
Здесь , - это индексы матрицы , они связаны с другими, ранее введенными индексами для узлов сетки. Сеточная функция , , выражается через найденный в результате решения СЛАУ вектор решения , следующим образом: .
Пятидиагональная матрица имеет следующее строение:
Вектор правой части СЛАУ задается в данной задаче по закону:
,
где - число, определяющее в индексах вектора решения начало последнего слоя внутренних узлов по оси , на которых учитывается заданное граничное условие. Заданная функция из уравнения, в данной задаче являющаяся константой, , входит в правую часть СЛАУ в виде слагаемого . Значения вектора правой части в данной задаче:
На рис.3 показано распределение функции решения аналогичной краевой задачи в двумерной области при порядке СЛАУ . Решение получено комбинированным методом Зейделя-ОСП при оптимальном параметре за итераций с относительной точностью решения в . Обычный метод Зейделя сходится здесь лишь за итераций и сопоставим по времени решения с прямым методом. Еще большее число требуемых итераций показывают в данной задаче метод ОСП с матрицей (1.2) - .
Отметим, что матрица задачи при и заданном постоянна и не зависит от краевых условий и источников , которые входят в правую часть СЛАУ. Соответственно задачи с различными краевыми условиями и источниками могут решаться с тем же самым оптимальным параметром, найденным один раз для данной сетки.
рис.3
-
Лабораторные задания к теме «Численное решение уравнений в частных производных»
Лабораторные работы по теме могут быть выполнены с помощью математических пакетов программ Mathcad или Matlab. В результате работы должна быть представлена искомая сеточная функция в виде матрицы значений в узлах сетки либо в виде послойного по времени распределения значений сеточных векторов. Следует также привести графическое представление результатов.
7.5.1. Гиперболические уравнения
Варианты заданий для одномерного волнового уравнения с граничными и начальными условиями (см. 7.2).
№ п/п |
|
|
|
|
|
|
|
|
Метод |
1.1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
|
|
2 |
0.1, 0.05 |
1 |
1.2 |
1 |
2 |
0 |
0 |
|
|
1 |
0.1, 0.05 |
1 |
1.3 |
|
1 |
0 |
0 |
|
|
2 |
0.1, 0.05 |
1 |
1.4 |
1 |
2 |
0 |
0 |
|
|
1 |
0.1, 0.05 |
1 |
1.5 |
|
1 |
0 |
0 |
|
|
2 |
0.1, 0.05 |
1 |
1.6 |
1 |
2 |
0 |
0 |
|
|
1 |
0.1, 0.05 |
1 |
1.7 |
|
1 |
0 |
0 |
|
|
2 |
0.1, 0.05 |
1 |
1.8 |
1 |
2 |
0 |
0 |
|
|
1 |
0.1, 0.05 |
1 |
1.9 |
|
1 |
0 |
0 |
|
|
2 |
0.1, 0.05 |
1 |
1.10 |
1 |
2 |
0 |
0 |
|
|
1 |
0.1, 0.05 |
1 |