Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ.doc
Скачиваний:
0
Добавлен:
01.07.2025
Размер:
11.81 Mб
Скачать
      1. Формули чисельного диференціювання для рівновіддалених вузлів

Якщо вузли інтерполяції розташовані через рівні проміжки, то зручніше використовувати відповідні інтерполяційні формули. Так, наприклад, взявши інтерполяційну формулу Ньютона для інтерполяції вперед

(1.6)

в результаті послідовного диференціювання отримаємо:

Зокрема, при х = х0 будемо мати:

(1.7)

Приклад 2. Знайти методом чисельного диференціювання похідні перших трьох порядків для многочлена в точці .

Складаємо таблицю різниць

x

f

f1

f2

f3

1

2

3

4

5

-6

-1

16

51

110

5

17

35

59

12

18

24

6

6

По отриманих формулах маємо:

,

,

.

Якщо використовувати інші формули інтерполювання, то можна отримати інші формули чисельного диференціювання. Візьмемо, наприклад, формулу Стірлінга

Послідовність похідних буде мати вигляд

При x=x0

Якщо використати формулу Бесселя

,

то отримаємо:

і при x=x0

1.2.3. Без різницеві формули чисельного диференціювання

У деяких випадках вигідніше виражати формули чисельного диференціювання не через різниці, а безпосередньо через значення функції. Для отримання таких формул зручно скористатися варіантом формули Лагранжа для випадку рівних проміжків:

. (1.8)

Диференціюючи один раз, отримаємо:

.

При x = xk будемо мати:

.

Для другої похідної будемо мати:

і при x = xk:

.

Випишем готові вирази для похідних першого і другого порядку при різних п.

N=2 (три точки): ;

;

.

N=3 (чотири точки): ;

;

;

.

N=4 (п’ять точок): ;

; ;

;

.

Порівнюючи різні формули, ми бачимо, що найбільш простіші вираження отримуються при парних п у середніх точках. При цьому і коефіцієнти при похідних у залишкових членах будуть найменшими. Тому на практиці, по можливості, варто застосовувати ці формули.

Якщо навести відповідні вирази для других похідних, то і в цьому випадку найбільш вигідні формули отримуються для парних п і для середніх точок [15].

      1. Метод невизначених коефіцієнтів

Можна отримати аналогічні формули і для довільного розташування вузлів. При цьому, щоб не обчислювати громіздкі вирази багаточлена Лагранжа, зручніше використовувати метод невизначених коефіцієнтів. Для цього записуємо шукану формулу у вигляді

(1.9)

і підбираємо коефіцієнти ci з умови R(f)=0, коли . Отримаємо наступну систему для визначення коефіцієнтів ci

,

,

...........................................

,

,

,

...........................................

.

1.3. Наближення похідної

Розглянемо числовий процес наближення похідної :

.

Метод виглядає просто – вибираємо послідовність так, що , і обраховуємо границю:

для .

Формула центральної різниці

Якщо функцію можна обчислити для значень, які лежать зліва і справа від , то найкраща двохточкова формула буде містити абсциси , які вибрані симетрично відносно .

Формула порядку .

Припустимо,що і що . Тоді

. (1.10)

Формула порядку .

Припустимо, що і що . Тоді

. (1.11)

Щоб отримати формули центрованих різниць для похідних вищих порядків можна використати ряд Тейлора. Найпоширеніші з вибраних порядків - і - наведені в таблиці 1.1 і 1.2. В таблицях використані позначення для .

Таблиця 1.1. Формула центрованої різниці порядку .

Таблиця 1.2. Формула центрованої різниці порядку .

Для ілюстрації отримаємо формулу для порядку з таблиці 1.1. Розпочнемо з розкладу Тейлора:

(1.12)

і

(1.13)

Сумуємо вирази (1.12) і (1.13), виключаємо члени,які містять непарні похідні :

. (1.14)

Виконуємо рівність (1.14) відносно і отримаємо

.(1.15)

Якщо розглядати ряд (1.15) до четвертої похідної, то існує таке значення с, яке лежить на інтервалі , що

. (1.16)

Це дає формулу для наближення :

. (1.17)

Диференціювання полінома Лагранжа.

Для обчислення значення функції в абсцисі, яка лежить з однієї сторони від точки , не можна використовувати формулу центрованої різниці. Формули для рівновіддалених абсцис, які лежать справа (або зліва) від точки , називають формулами для правих (або лівих) різниць. Ці формули можна отримати диференціюванням інтерполяційного многочлена Лагранжа [22]. Деякі загальні формули для правих і лівих різниць наведені в таблиці 1.3.

Таблиця 1.3. Формули для правих і лівих різниць порядку

Права різниця

Ліва різниця

Права різниця

Ліва різниця

Права різниця

Ліва різниця

Права різниця

Ліва різниця