Развитие и образование ни одному человеку не могут быть даны или сообщены. Всякий, кто желает к ним приобщиться. Должен достигнуть этого собственной деятельностью, собственными силами, собственным напряжением.

Извне он может получить только возбуждение. Поэтому самодеятельность – средство и одновременно результат образования.

Адольф Дистерверг (1790 – 1866)

Часть 1 Числовые методы

Введение

Возможности современной вычислительной техники и информационных технологий позволяют изучать различные процессы и явления с помощью вычислительного эксперимента. Этот термин ввел академик А.А. Самарский для определения метода и технологии исследования сложных систем, которые основаны на построении математической модели объекта исследования и анализа её на ЭВМ. Технология вычислительного эксперимента содержит несколько этапов.

Постановка задачи. Этот этап заключается в содержательной (физической) постановке задачи и определении конечных целей решения.

Построение математической модели (ма­тематическая формулировка задачи). Модель должна правильно (адекватно) описывать основные законы физи­ческого процесса. Построение или выбор математической модели из существующих требует глубокого понимания проблемы и знания соответствующих разделов физики и математики.

Разработка численного метода. Поскольку ЭВМ может выполнять лишь простейшие операции, она «не понимает» постановки задачи, даже в математиче­ской формулировке. Для ее решения должен быть най­ден численный метод, позволяющий свести задачу к нек­оторому вычислительному алгоритму. Разработкой чис­ленных методов занимаются специалисты в области и вычислительной математики. Специалисту-прикладнику решения задачи, как правило, необходимо из имею­щегося арсенала методов выбрать тот, который наиболее пригоден в данном конкретном случае.

Разработка алгоритма и построение его структурной схемы. Процесс решения задачи (вычислитель­ный процесс) записывается в виде последовательности элементарных арифметических и логических операций, приводящей к конечному результату и называемой алгоритмом решения задачи. Алгоритм можно изобразить в виде структурной схемы.

Программирование. Алгоритм решения задачи записывается па понятном машине языке в виде точно определенной последовательности операций — программы для ЭВМ. Составление программы (кодирование алгоритма) обычно производится с помощью некоторого промежуточ­ного (алгоритмического) языка, а ее трансляция (пере­вод на язык ЭВМ) осуществляется самой вычислительной системой.

Отладка программы. Составленная программа содержит разного рода ошибки, неточности, описки. От­ладка программы на машине включает контроль про­граммы, диагностику (поиск и определение содержания) ошибок, их исправление. Программа испытывается на ре­шении контрольных (тестовых) задач для получения уверенности в достоверности результатов.

Проведение расчетов. На этом этапе готовятся исходные данные для расчетов, и проводится счет по от­лаженной программе. При этом для уменьшения ручно­го труда по обработке результатов можно широко исполь­зовать удобные формы выдачи результатов, например распечатку таблиц, построение графиков.

Анализ результатов. Результаты расчетов тща­тельно анализируются, оформляется научно-техническая документация.

Следует отметить еще один важный момент в процес­се решения задачи с помощью ЭВМ. Это — экономичность выбранного способа решения задачи, численного метода, модели ЭВМ. В частности, если задача допускает простое аналитическое решение или измерение, то вряд ли целесообразно привлекать вычисления на ЭВМ. Ино­гда решение задачи производят с помощью большого вычислительного комплекса, хотя это можно было осу­ществить с использованием мини-ЭВМ или даже ­калькулятора.

Не умаляя значения физического эксперимента, нужно все-таки отметить неуклонно возрастающую долю вычислений на ЭВМ в общем объеме решения научно-технических задач. В связи с этим наряду с увеличением парка вычислительных машин и повышением их «интел­лектуальных» возможностей возрастает интерес к мате­матическому моделированию и разработке численных методов.

Основным элементом при проведении вычислительного эксперимента являются математические модели. Основное требование, предъявляемое к математической модели,— адекватность рассматриваемому явлению, т. е. она должна достаточно полно (в рамках допустимых погрешностей) отражать характерные черты явления. Вместе с тем она должна обладать сравнительной простотой и доступностью исследования.

При построении математических моделей получают некоторые математические соотношения, как правило, в форме алгебраических, дифференциальных уравнений и алгоритмов функционирования сложных систем.

С помощью математического моделирования решение научно-технической задачи сводится к решению математической задачи. Для решения математических задач использу­ются следующие основные группы методов: графические, аналитические и численные.

Графические методы позволяют в ряде случаев оце­пить порядок искомой величины. Основная идея этих методов состоит в том, что решение находится путем гео­метрических построении. Например, для нахождения корней уравнения f(x)=0 строится график функции y = f(x) точки пересечения которого с осью абсцисс и будут искомыми корнями.

При использовании аналитических методов решение не удается выразить с помощью формул. В частно­сти, если математическая задача состоит в решении простейших алгебраических или трансцендентных уравне­ний, дифференциальных уравнений и т. п., то использование известных из курса математики приемов сразу приводит к цели. К сожалению, на практике это слишком редкие случаи.

Основным инструментом для решения сложных математических задач в настоящее время являются числен­ные методы, позволяющие свести решение задачи к вы­полнению конечного числа арифметических действий над числами; при этом результаты получаются в виде числовых значений. Многие численные методы разработаны но, однако при вычислениях вручную они могли ис­пользоваться лишь для решения не слишком трудоемких задач,

С появлением ЭВМ начался период бурного развития численных методов и их внедрения в практику. Только вычислительной машине под силу выполнить за сравнительно короткое время объем вычислений в миллионы, миллиарды и более операций, необходимых для решения многих современных задач. При счете вручную человеку не хватило бы и жизни для решения одной такой задачи.

Численный метод наряду с возможностью получения результата за приемлемое время должен обладать и еще одним важным качеством — не вносить в вычислитель­ный процесс значительных погрешностей, что требует изучения точности вычислительного эксперимента.