- •Начальная задача для обыкновенных дифференциальных уравнений Лекция 24
- •Многошаговые Методы Адамса.
- •Предиктор корректорные методы Адамса.
- •Примеры решения типовых задач
- •5.2 Вторая формула Милна – формула уточнения.
- •Сведение задачи Коши для систем дифференциальных уравнений первого порядка к задаче Коши для оду первого порядка с использованием векторных обозначений.
- •Вопросы по теме
5.2 Вторая формула Милна – формула уточнения.
Проинтегрируем уравнение (3) на промежутке [xi1, xi+1]:
и
применим к интегралу
простейшую формулу Симпсона:
,
где i(xi-1,
xi+1).
В результате получим:
(38)
Отбрасывая
в формуле (38) слагаемое
,
характеризующее
ошибку квадратурной формулы Симпсона
и заменяя значения решения y(x
i1)
и y(x
i)
известными приближёнными значениями
y
i1
и y
i,
а стоящее в правой части (38) в качестве
аргумента функции f(x
i+1,
y(x
i+1))
значение y(xi+1)
значением
,
полученным по первой (явной)
формуле Милна (36), приходим ко второй
интерполяционной
(и неявной)
формуле Милна
– формуле
уточнения.
(39)
Оценка шаговой погрешности второй формулы Милна.
Для
вывода приближённой оценки шаговой
погрешности метода Милна воспользуемся
приближённым равенством, связывающим
производные и конечные разности
,
где
так же, как и в (37),
условная запись практически постоянных
четвёртых разностей. Иногда в качестве
величины
в формуле
берут максимальную четвёртую разность
из четвёртых конечных разностей в
используемой части таблицы конечных
разностей.
Исходя
из точного равенства (38), локальную
погрешность получаемого с помощью
формулы (39) приближённого значения yi+1
можно приближённо охарактеризовать
величиной
.
Поэтому, сравнивая
выражения (38) и (39), можем
написать:
или
(40)
Далее приравнивая правые части выражений (37) и (40):
и
получим:
(41)
Следовательно, сравнивая выражения (40) и (41), окончательно получаем:
(42)
Таким образом, при численном интегрировании начальной задачи (1), (2) методом Милна четвёртого порядка, определяемым формулами (36), (39), на каждом i - м шаге следует вычислять величину
(43)
и сравнивать её модуль с величиной > 0 допустимой шаговой погрешности. Если di+1< , то за y(xi+1) принимается полученное по второй формуле Милна (39) значение yi+1 (или его уточнённое значение yi+1 yi+1 + di+1); иначе шаг должен быть уменьшен.
Фигурирующая в приближённом равенстве (42) постоянная 1/29 примерно в двое меньше постоянной (19/270) (1/14) в аналогичном равенстве
y(x i+1) yМi+1 = (yМi+1 yБi+1). (33)
для предиктор-корректорного метода Адамса четвёртого порядка
(28)
это характеризует метод Милна как несколько более точный при одинаковых вычислительных затратах.
Сведение задачи Коши для систем дифференциальных уравнений первого порядка к задаче Коши для оду первого порядка с использованием векторных обозначений.
Пусть имеется система дифференциальных уравнений первого порядка, разрешённых относительно производных. Задача Коши для такой системы дифференциальных уравнений формулируется в следующем виде:
(45)
Введём следующие векторные обозначения:
(46)
Используя введённые векторные обозначения (46) задача Коши (44), (45) для системы дифференциальных уравнений первого порядка (44) может быть переписана в виде:
, (47)
который имеет точно такую же форму, как и рассматриваемая выше задача Коши:
y(x) = f (x, y), x [x0, b] (1)
y(x0) = y0 (2)
К полученному векторному дифференциальному уравнению (47) применимы все численные методы, изучавшиеся в рамках данной темы, поскольку все рассмотренные методы имеют линейную структуру (т.е. если реализацию какого-либо из рассмотренных методов решения задач Коши представить как действие соответствующего линейного оператора).
При таком подходе скалярными величинами в формулах, определяющих методы, являются только независимая переменная x и расчётный шаг h; всем остальным величинам соответствуют введённые выше векторные величины размерности n.
Следует лишь учесть, что в этом случае при контроле пошаговой или глобальной точности методов вместо модуля нужно использовать норму вектора (например, норму - максимум).
Заключение (план - аннотация лекции №24).
В лекции 24 рассмотрены приближённые методы решения задачи Коши, основанные на интегрировании ДУ и последующей замене подынтегральной функции интерполирующим полиномом соответствующего порядка, данные методы известные в литературе под общим названием многошаговых методов Адамса.
Дан вывод формул экстраполяционного метода Адамса, рассмотрен подход к оценке его точности. Приведён интерполяционный метод Адамса, рассмотрены его частные случаи. Рассмотрены предиктор-корректорные методы Адамса, дан метод осуществления пошагового контроля погрешности вычислений при их применении.
Ещё одним методом прогноза и коррекции, рассмотренным в лекции, является метод Милна, в рамках которого получены две формулы – первая и вторая формулы Милна, которые используются соответственно для предсказания и уточнения (коррекции) искомого решения y(x) задачи Коши. Обсуждается роль первой и второй формулы Милна в процессе формирования решения задачи Коши для ОДУ. Дана оценка шаговой (локальной) погрешности метода Милна.
Сформулирована задача Коши для системы ОДУ первого порядка и дифференциального уравнения второго порядка. Дана схема сведение задачи Коши для систем дифференциальных уравнений первого порядка к виду задачи Коши для обыкновенного дифференциального уравнения первого порядка.
Приведены примеры решения типовых задач.
Литература:
В.М. Вержбицкий. Основы численных методов. – М.: Высшая школа, 2002. – 840 стр.
Мастяева И.Н., Семенихина О.Н. Численные методы: Учебное пособие / Московский международный институт эконометрики, информатики, финансов и права. – М.: МЭСИ М., 2003. – 102 стр.
Приклонский В.И. Численные методы. Лекционный курс, читаемый в МГУ. Адрес в Интернете ttp://afrodita.phys.msu.ru/download/priklonsky/lections/
