- •Часть 1 Числовые методы
- •Раздел 1
- •Тема 1.1 Точность вычислительного эксперимента на эвм.
- •§ 1.1.1 Приближенные числа
- •§ 1.1.2. Погрешность приближенных чисел.
- •§ 1.1.3. Погрешность математических операций над приближенными числами.
- •§ 1.1.4 Характеристики методов вычислений.
- •§ 1.2.1 Табличное представление функций. Система обозначений. Операторы.
- •§ 1.2.2. Разностные операторы. Таблицы конечных разностей.
- •§ 1.2.3. Разностные уравнения
- •Раздел 2
- •Тема 2.1. Прикладные задачи интерполяции и аппроксимации и их алгоритмизация. Методы и алгоритмы решения линейных алгебраических уравнений
- •§ 2.1.1. Основные понятия теории приближения функций.
- •Раздел 1
- •Тема 2. Исчисление конечных разностей. Разностные уравнения.
- •§ 2.1.2. Интерполяция многочленами с неравномерными и кратными узлами.
- •Можно и не вычислять коэффициенты Pn(X), а записать интерполяционную формулу, в виде уравнения прямой, проходящей через две координаты точки на плоскости, координаты которых известны.
- •§ 2.1.3. Аппроксимация функций. Метод наименьших квадратов.
- •Раскроем знак суммы относительно неизвестных a0 и a1
- •§ 2.1.4 Методы и алгоритмы решения системы линейных алгебраических уравнений.
- •Раздел 2. Методы и алгоритмы многочленного и немногочленного приближения
- •Тема 2.2.Прикладные задачи численного дифференцирования и интегрирования.
- •§ 2.2.1 Методы численного дифференцирования
- •§ 2.2.2.Методы численного интегрирования
- •Метод трапеций
- •Метод Симпсона
- •Раздел 2
- •Тема 2.3 Системы линейных дифференциальных уравнений и их решение на эвм
- •§ 2.3.1 Основные понятия и определения
- •§ 2.3.2 Алгоритмы решения задачи Коши
- •§ 2.3.3 Алгоритм решения краевой задачи оду.
- •Раздел 2
- •Тема 2.4 Дифференциальные уравнения в частных производных и их численное решение на эвм.
- •§ 2.4.1. Классификация дифференциальных уравнений в частных производных
- •§ 2.4.2 Метод сеток и алгоритмы его реализации
- •§ 2.4.3 Алгоритмы решения параболического уравнения
- •Раздел 3 Численное определение нулей и экстремумов функций
- •Тема 3.1. Методы и алгоритмы нахождение нулей функций
- •§ 3.1.1. Численное решение рациональных и трансцендентных уравнений
- •Пример 1
- •Метод простых итераций
- •Пример 3
- •§ 3.1.2. Нахождение действительных и комплексных корней многочленов
- •§ 3.2.1. Основные понятия и определения
- •Пример 1
- •§ 3.2.2 Методы решения задач оптимизации
- •§ 3.2.3. Задача поиска одномерного, локального безусловного оптимума.
- •§ 3.2.4 Задачи многомерной оптимизации
Раздел 2. Методы и алгоритмы многочленного и немногочленного приближения
Тема 2.2.Прикладные задачи численного дифференцирования и интегрирования.
Если первая производная позволяет
нам для данного момента времени
описать характер какого-либо
движения, то вторая помогает
проникнуть в его скрытые причины
Вильям Томсон (лорд Кельвин)
1824-1907
§ 2.2.1 Методы численного дифференцирования
Численная реализация оператора дифференцирования, если функция задана таблично, может быть осуществлена принципиально двумя способами:
1. Приближением производной с помощью отношения конечных разностей.
2. Приближением производной через значения функции в узлах таблицы.
Использование конечных разностей осуществляется двумя способами:
1. Непосредственное использование первых разностей.
Если известна таблица функции и первые разности, то производная в точке х1 следующим образом
Таблица 1
-
xi
yi
разности
x0
y0
y = y1- y0
x1
y1
y = y2 - y1
x2
y2
y = y2 – y0
dy / dx = ( y2 – y1 ) / h - с помощью левой восходящей разности
dy / dx = ( y1 – y0 ) / h - с помощью правой нисходящей разности
dy / dx = ( y2 – y0) / 2h - с помощью центральной разности, где h – шаг табличной функции.
Пример 1. Вычислить производную в точке х = 1 для функции y = x3, если известна таблица функции.
Таблица 2
-
x
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
y
0.343
0.512
0.729
1.0
1.331
y0
y1
y2
Выберем два значения табличной функции справа (y2) и слева (y0) от точки, в которой надо вычислить значение производной. Используя таблицу 1, вычислим значения производной.
f(x, h) = y' (1;0.1) = [y(1.1) - y(1.0)]/0.1 = (1.331 - 1.0)/0.1 = 3.31
f(x, h) = y'(1;0.1) = [y(1.0) - y(0.9)]/0.1 = (1-0.729)/0.1 = 2.71
f(x, 2h) = y'(1;0.2) = [y(1.1) - y(0.9)]/0.1 = (1.331 - 0.729)/0.2 = 3.01
Точное значение производной y' (1) = 3 1.02 = 3 (конечно-разностный метод имеет первый порядок точности). Как видно на примере, наименьшую погрешность дает формула центральной разности (абсолютная погрешность 0.01; относительная погрешность 0.33%).
Производную можно вычислять численно через значения функции, если использовать интерполяционный полином Лагранжа. Для трех узлов табличной функции с постоянным шагом производная от интерполяционного полинома Лагранжа имеет следующий вид:
Для вычисления производной в точке x0 в общую формулу подставим x = x0 , и раскроем скобки.
Если провести вычисления и привести подобные, то можно получить выражение для вычисления производной по трем значениям табличной функции
По аналогии для x = x1
и для x = x2. Видно, что это центральная разность.
Пример 2.
Вычислить производную для той же табличной функции в точке х = 0.9 по формуле Лагранжа. Выделим три значения функции: y0 = 0.729; y1 =1.0; y2 = 1.331.
y' (0.9;0.1) =1/0.2(-30.729+41.0 - 1.331)= 2.41. Точное значение производной 30.92= 2.43, что значительно точнее, чем через первые разности.
Можно взять и другие точки: y0 =0.343; y1 =0.512; y2 = 0.729.
Тогда производную надо вычислять по другой формуле y' (0.9;0.1) =1/0.2(0.343 -40.512 + 30.729)= 2.41.
Тот же результат.
Смысл там, где змеи интеграла
Меж цифр и букв, меж d и f !
Валерий Брюсов (1873-1924)
