
- •Основи чисельних методів математики (з використанням Excel) Передмова
- •Розділ 1. Методи обчислень: предмет, основні поняття та застосування
- •§ 1. Предмет і застосування
- •§ 2. Основні поняття
- •1. Похибки наближень.
- •2. Граничні похибки. Похибки функції.
- •3. Похибки розв'язку.
- •4. Стійкість і коректність.
- •Питання, тести
- •Розділ 2. Інтерполяція функцій
- •§1. Задача інтерполювання
- •§2. Інтерполяційна формула Лагранжа
- •§3. Поділені різниці. Формула Ньютона з поділеними різницями
- •§4. Інтерполяційна формула за допомогою Excel
- •§5. Інтерполювання за схемою Ейткіна
- •§6. Скінчені різниці. Інтерполяційні формули Ньютона для рівновіддалених вузлів
- •§7. Інтерполювання із скінченими різницями за допомогою Excel
- •§8. Інші методи інтерполювання
- •Питання, тести
- •Завдання
- •Розділ 3. Чисельне диференціювання та інтегрування.
- •§ 1. Однобічні формули чисельного диференціювання
- •§ 2. Оцінки похибки чисельного диференціювання
- •§ 3. Чисельне інтегрування. Квадратурні формули
- •§ 4. Квадратурні формули Ньютона – Котеса
- •§ 5. Узагальнені квадратурні формули.
- •§ 6. Метод подвійного перерахунку.
- •1. R2n ( f ) ≈ (правило Рунге) (14)
- •§ 7. Метод кратного перерахунку за допомогою Excel
- •Питання, тести
- •Завдання
- •Розділ 4. Чисельні методи розв‘язування рівнянь з однією змінною
- •§ 1. Відокремлення коренів
- •§ 2. Метод дихотомії (поділу відрізка пополам)
- •§ 3. Ітераційні методи та оператор стиску.
- •§ 4. Похибки ітераційного процесу
- •§ 5. Реалізація методу простої ітерації за допомогою електронних таблиць
- •§ 6. Метод Ньютона. Порядок збіжності ітераційного процесу.
- •§ 7. Метод лінійного інтерполювання.
- •§ 8. Інші приклади ітераційних методів.
- •Питання, тести
- •Завдання
- •Розділ 5. Методи розв’язування систем лінійних рівнянь
- •§ 1. Метод Гаусса
- •Метод Гаусса в матричній формі
- •Елементарні операції над матрицею:
- •§ 2. Метод Гаусса за допомогою Excel
- •§ 3. Матричні операції в Excel
- •3. Множення матриць.
- •§ 4. Метод простої ітерації для слр
- •§ 5. Метод Зейделя
- •Питання, тести
- •Завдання
- •Розділ 6. Методи лінійного програмування
- •§ 1. Оптимізаційні задачі. Математичне програмування
- •§ 2. Геометричний зміст задач лінійного програмування. Графічний метод
- •§3. Канонічна форма задачі лінійного програмування. Опорні розв’язки
- •§4. Симплекс – таблиця
- •§5. Симплекс – метод.
- •§6. Розв’язування задач лінійного програмування за допомогою excel
- •§7 Приклади
- •§8. Пошук початкового опорного розв’язку. Метод штучного базису
- •Властивості допоміжної задачі.
- •Питання, тести
- •Завдання
- •Розділ 7. Чисельні методи розв’язування звичайних диференціальних рівнянь
- •§ 1. Метод Ейлера
- •§ 2. Метод Ейлера за допомогою Excel
- •§ 3. Методи Рунге – Кутта
- •§ 4. Подвійний перерахунок для методів Рунге – Кутта
- •§ 5. Кратний перерахунок для методів Рунге – Кутта за допомогою Excel
- •§ 6. Методи Рунге – Кутта з вищими порядками похибки
- •Питання, тести
- •Завдання
- •Іменний покажчик
- •Предметний покажчик
- •Література
Питання, тести
1. Якщо функція f(x, y) і її часткова похідна (x, y) неперервні у точці (х0; у0), то для звичайного диференціального рівняння першого порядку у´ = f(x, y)
А |
завжди існують інтегральні криві, які проходять через точку (х0; у0) |
Б |
інтегральні криві, які проходять через точку (х0; у0) існують при додаткових умовах |
В |
існує єдина інтегральна крива, яка проходять через точку (х0; у0) |
Г |
існування інтегральної кривої залежить від даної функції f(x, y) |
Д |
існування інтегральної кривої залежить від даної точки (х0; у0) |
Розв’язати задачу Коші чисельно означає для заданої послідовності х0, х1, … , хn значень незалежної змінної х знайти числову послідовність у0, у1, …, уn так, щоб
А |
всі числа уi з заданою точністю наближали наперед задані значення в точках хi |
Б |
похибка наближеного значення уk в заданій точці хk не перевищувала даного ε |
В |
всі уi з даною точністю наближали значення у(хi) інтегральної кривої з у(х0) = у0 |
Г |
уn з даною похибкою наближав у(хn), якщо крок інтегрування є достатньо малим |
3. Чисельний розв’язок задачі Коші у´(х) = 2, y(0) = 1 має на відрізку [0; 1] найкращі (тобто найменші) похибки наближеного значення для заданих точок хi, якщо
А |
застосувати метод Ейлера |
Б |
застосувати удосконалений метод Ейлера |
В |
обидва ці методи дають однаковий результат |
Г |
це залежить від заданої точки хk |
Д |
це залежить від кроку інтегрування |
Для чисельного розв’язку задачі Коші у´(х) = – 2, y(0) = 1 на відрізку [0; 2] похибка наближеного значення для заданої точки хi = 1 дорівнює
А |
1 при застосуванні методу Ейлера |
Б |
1 при застосуванні удосконаленого методу Ейлера |
В |
обидва ці методи дають однаковий результат |
Г |
це значення залежить від кроку інтегрування |
Д |
всі методи Рунге – Кутта дають однаковий результат |
Чисельний розв’язок задачі Коші у´(х) = 2х – 1, y(0) = 1 на відрізку [0; 1] серед двох методів: Ейлера та удосконаленого методу Ейлера має найкращі (тобто найменші) похибки наближеного значення для заданих точок хi, якщо
А |
застосувати метод Ейлера |
Б |
застосувати удосконалений метод Ейлера |
В |
обидва ці методи дають однаковий результат |
Г |
це залежить від заданої точки хk |
Д |
це залежить від кроку інтегрування |
Метод Ейлера – це ітераційний метод, рекурентна формула якого має вигляд:
А |
xk+1 = xk + h, уk + 1 = уk + h f(хk; уk) |
Б |
xk+1 = xk + h, уk+1 = уk + f(хk; уk)h |
В |
xk+1 = хk + h, уk+1 = уk + f(хk; уk)h |
Г |
xk+1 = хk + h, уk + 1 = уk + h f(хk; уk) |
Рекурентна формула удосконаленого методу Ейлера має вигляд:
А |
xk+ ½ = хk + h, уk + 1 = уk + h f(хk+ ½; уk) |
Б |
xk+ ½ = хk + h, уk + 1 = уk + h f(хk+ ½; уk) |
В |
уk + ½ = уk + f(хk; уk), уk+1 = уk + h f(хk + ; уk + ½) |
Г |
уk + ½ = уk + f(хk; уk), уk+1 = уk + ½ + h f(хk ; уk + ½) |
8. Чисельні розв’язки задачі Коші у´(х) = 2у + sin(3x – y), y(0) = 1 з кроком інтегрування h у чарунці H1 методом Ейлера визначається такою таблицею:
А:
|
A |
B |
C |
1 |
x |
y |
Dy |
2 |
0 |
1 |
= $H$1*(2*B2+0,5*SIN(3*A2-B2)) |
3 |
= A2+$H$1 |
= B2+C2 |
↓ |
4 |
↓ |
↓ |
↓ |
Б:
|
A |
B |
C |
1 |
x |
y |
Dy |
2 |
0 |
1 |
= H1*(2*B2+0,5*SIN(3*A2-B2)) |
3 |
= A2+H1 |
= B2+C2 |
↓ |
4 |
↓ |
↓ |
↓ |
В:
|
A |
B |
C |
1 |
y |
x |
Dy |
2 |
1 |
0 |
= $H$1*(2*А2+0,5*SIN(3*В2-А2)) |
3 |
= А2+C2 |
= В2+$H$1 |
↓ |
4 |
↓ |
↓ |
↓ |
Г:
|
A |
B |
C |
1 |
x |
y |
Dy |
2 |
0 |
1 |
= H1*(2*B2+0,5*SIN(3*В2-А2)) |
3 |
= A2+H1 |
= B2+C2 |
↓ |
4 |
↓ |
↓ |
↓ |
9. Чисельні розв’язки задачі Коші у´(х) = 2у + sin(3x – y), y(0) = 1 з кроком інтегрування h у чарунці H1 удосконаленим методом Ейлера визначається такою таблицею:
А:
|
A |
B |
C |
1 |
x |
y |
Dy |
2 |
0 |
1 |
= $H$1*(2*B2+0,5*SIN(3*A2-B2)) |
3 |
= A2 + $H$1 |
= B2 + С2 |
↓ |
4 |
↓ |
↓ |
↓ |
|
D |
E |
F |
1 |
x1 |
y1 |
Dy1 |
2 |
= A2 + 0,5*$H$1 |
= B2 + 0,5*F2 |
= $H$1*(2*E2+0,5*SIN(3*D2-E2)) |
3 |
↓ |
↓ |
↓ |
4 |
↓ |
↓ |
↓ |
Б:
|
A |
B |
C |
1 |
x |
y |
Dy |
2 |
0 |
1 |
= H1*(2*B2+0,5*SIN(3*A2-B2)) |
3 |
= A2 + H1 |
= B2 + C2 |
↓ |
4 |
↓ |
↓ |
↓ |
В:
|
A |
B |
C |
1 |
x |
y |
Dy |
2 |
0 |
1 |
= $H$1*(2*B2+0,5*SIN(3*A2-B2)) |
3 |
= A2 + $H$1 |
= B2 + С2 |
↓ |
4 |
↓ |
↓ |
↓ |
Г:
|
A |
B |
C |
1 |
x |
y |
Dy |
2 |
0 |
1 |
= $H$1*(2*B2+0,5*SIN(3*A2-B2)) |
3 |
= A2 + $H$1 |
= B2 + F2 |
↓ |
4 |
↓ |
↓ |
↓ |
|
D |
E |
F |
1 |
x1 |
y1 |
Dy1 |
2 |
= A2 + 0,5*$H$1 |
= B2 + 0,5*C2 |
= $H$1*(2*E2+0,5*SIN(3*D2-E2)) |
3 |
↓ |
↓ |
↓ |
4 |
↓ |
↓ |
↓ |
10. Методами Рунге – Кутта називають ітераційні методи, які визначаються рекурентними формулами уk+1 = yk + , де
А |
w1(h) = h f(xk, yk) |
Б |
w2(h) = h f(хk + α2h, yk + β21w1(h)) |
В |
w3(h) = h f(хk + α3h, yk + β31w1(h)) |
Г |
wq(h) = h f(xk + αqh, yk + βq1w1(h) + βq2w2(h) + … + βqq-1wq-1(h)) |
11. Якщо s є порядком точності методу Рунге – Кутта, то похибка цього методу на кроці дорівнює
А |
Б |
В |
Г |
s + 1 |
s |
s – 1 |
s – 2 |
Збіжність методу тим швидше, чим порядок його точності
А |
Б |
В |
Г |
більше |
менше |
це залежить від диф. рівняння |
це залежить від початкової умови |
13. Чи до кожної задачі Коші у´ = f(x, y); у(х0) = у0 , для якої виконуються умови теореми існування та єдності розв’язку можна застосувати формули Рунге – Кутта ?
А |
Б |
В |
Г |
так |
ні |
це залежить від порядок точності методу |
це залежить від кількості параметрів |
14. Який порядок точності методу, що визначається рекурентними формулами
xk+1 = xk + h, уk+1 = уk + h f(хk; уk) ?
А |
Б |
В |
Г |
3 |
2 |
1 |
0 |
15. Який порядок точності методу Рунге – Кутта чисельного розв’язання задачі Коші на відрізку [1; 2] з кроком інтегрування у чарунці H1, якщо він визначається такими формулами:
А:
|
A |
B |
C |
1 |
x |
y |
w1 |
2 |
1 |
0 |
= $H$1*(2*A2+3*SIN(B2^2)) |
3 |
= A2 + $H$1 |
= B2 + F2 |
↓ |
4 |
↓ |
↓ |
↓ |
|
D |
E |
F |
1 |
x1 |
y1 |
w2 |
2 |
= A2 + 0,5*$H$1 |
= B2 + 0,5*C2 |
=$H$1*(2*D2+3*SIN(E2^2)) |
3 |
↓ |
↓ |
↓ |
4 |
↓ |
↓ |
↓ |
А |
Б |
В |
Г |
3 |
2 |
1 |
0 |
Б:
|
A |
B |
C |
1 |
x |
y |
w1 |
2 |
1 |
0 |
= $H$1*(2*A2+3*SIN(B2^2)) |
3 |
= A2 + $H$1 |
= B2 + F2 |
↓ |
4 |
↓ |
↓ |
↓ |
|
D |
E |
F |
1 |
x1 |
y1 |
w2 |
2 |
= A2 + 0,7*$H$1 |
= B2 + 0,3*C2 |
=$H$1*(2*D2+3*SIN(E2^2)) |
3 |
↓ |
↓ |
↓ |
4 |
↓ |
↓ |
↓ |
А |
Б |
В |
Г |
3 |
2 |
1 |
0 |
Отримані оцінки наступного методу є апостеріорними
А |
методу Ейлера |
Б |
удосконаленого методу Ейлера |
В |
методів Рунге – Кутта |
Г |
методу подвійного перерахунку |
Д |
методу кратного перерахунку |
Метод подвійного перерахунку ґрунтується на таких формулах:
А |
рекурентних формулах методу Ейлера |
Б |
рекурентних формулах удосконаленого методу Ейлера |
В |
правилі Рунге |
Г |
аналогу формули екстраполяції за Річардсоном |
Д |
формулах методів Рунге – Кутта |
Формула правила Рунге – це
А |
у(хk) ≈ + |
Б |
ε ≈ |
В |
xk+ ½ = хk + h, уk + 1 = уk + h f(хk+ ½; уk) |
Г |
уk+1 = yk + , |
Формули методу кратного перерахунку – це
А |
у(хk) ≈ + ; ε ≈ |
Б |
xk+ ½ = хk + h, уk + 1 = уk + h f(хk+ ½; уk) |
В |
ε ≈ ; у(хk) ≈ + |
Г |
уk + ½ = уk + f(хk; уk), уk+1 = уk + ½ + h f(хk ; уk + ½) |
20. У стовпці В наступної таблиці знаходяться наближені значення чисельного розв’язку задачі Коші методом Рунге – Кутта другого порядку точності для заданої точки хi = 1 з кроками h = 0,2 0,1 0,05 0,025 у чарунках В2, В3 В4 і В5 відповідно. Така таблиця здійснює подвійний перерахунок цих даних:
А:
|
A |
B |
C |
D |
1 |
h |
y(1) |
ε |
y(1) уточн. |
2 |
0,2 |
5,93258 |
= (B3 – B2)/3 |
= C2 + B2 |
3 |
0,1 |
6,09164 |
↓ |
↓ |
4 |
0,05 |
6,14066 |
↓ |
↓ |
5 |
0,025 |
6,15418 |
↓ |
↓ |
Б:
|
A |
B |
C |
D |
1 |
h |
y(1) |
ε |
y(1) уточн. |
2 |
0,2 |
5,93258 |
|
|
3 |
0,1 |
6,09164 |
= (B3 – B2)/3 |
= C3 + B3 |
4 |
0,05 |
6,14066 |
↓ |
↓ |
5 |
0,025 |
6,15418 |
↓ |
↓ |
В:
|
A |
B |
C |
D |
1 |
h |
y(1) |
ε |
y(1) уточн. |
2 |
0,2 |
5,93258 |
= (B3 – B2)/2 |
= C2 + B2 |
3 |
0,1 |
6,09164 |
↓ |
↓ |
4 |
0,05 |
6,14066 |
↓ |
↓ |
5 |
0,025 |
6,15418 |
↓ |
↓ |
Г:
|
A |
B |
C |
D |
1 |
h |
y(1) |
ε |
y(1) уточн. |
2 |
0,2 |
5,93258 |
|
|
3 |
0,1 |
6,09164 |
= (B3 – B2)/2 |
= C3 + B3 |
4 |
0,05 |
6,14066 |
↓ |
↓ |
5 |
0,025 |
6,15418 |
↓ |
↓ |
У стовпці В наступної таблиці знаходяться наближені значення чисельного розв’язку задачі Коші методом Рунге – Кутта третього порядку точності для заданої точки хi = 1 з кроками h = 0,2 0,1 0,05 0,025 у чарунках В2, В3 В4 і В5 відповідно. Така таблиця здійснює кратний перерахунок цих даних:
А:
|
A |
B |
C |
D |
E |
|
1 |
№ перер |
1 |
2 |
3 |
||
2 |
h |
y(1) |
ε |
y(1) |
ε |
|
3 |
0,2 |
4,108655 |
|
|
|
|
4 |
0,1 |
3,971733 |
= (B4 – B3)/3 |
= C4 + B4 |
|
|
5 |
0,05 |
4,056332 |
↓ |
↓ |
= (D5 – D4)/7 |
= D5 + E5 |
6 |
0,025 |
4,051298 |
↓ |
↓ |
↓ |
↓ |
Б:
|
A |
B |
C |
D |
E |
|
1 |
№ перер |
1 |
2 |
|
||
2 |
h |
y(1) |
ε |
y(1) |
ε |
|
3 |
0,2 |
4,108655 |
= (B3 – B4)/7 |
= C3 + B3 |
|
|
4 |
0,1 |
3,971733 |
↓ |
↓ |
= (D4 – D5)/15 |
= D4 + E4 |
5 |
0,05 |
4,056332 |
↓ |
↓ |
↓ |
↓ |
6 |
0,025 |
4,051298 |
↓ |
↓ |
↓ |
↓ |
В:
|
A |
B |
C |
D |
E |
|
1 |
№ перер |
1 |
2 |
|
||
2 |
h |
y(1) |
ε |
y(1) |
ε |
|
3 |
0,2 |
4,108655 |
|
|
|
|
4 |
0,1 |
3,971733 |
= (B4 – B3)/7 |
= C4 + B4 |
|
|
5 |
0,05 |
4,056332 |
↓ |
↓ |
= (D5 – D4)/15 |
= D5 + E5 |
6 |
0,025 |
4,051298 |
↓ |
↓ |
↓ |
↓ |
Г:
|
A |
B |
C |
D |
E |
|
1 |
№ перер |
1 |
2 |
|
||
2 |
h |
y(1) |
ε |
y(1) |
ε |
|
3 |
0,2 |
4,108655 |
= (B3 – B4)/3 |
= C3 + B3 |
|
|
4 |
0,1 |
3,971733 |
↓ |
↓ |
= (D4 – D5)/4 |
= D4 + E4 |
5 |
0,05 |
4,056332 |
↓ |
↓ |
↓ |
↓ |
6 |
0,025 |
4,051298 |
↓ |
↓ |
↓ |
↓ |