 
        
        Алгоритм решения БДЗ / пример решения БДЗ
.pdf 
1
1. (a) Представить слагаемые и результат в виде нормализованного числа с плавающей точкой двойной точности: ( 1)s 21023 e 1:f, где 1:f записано в двоичном виде. (б) Если результат неточный (не умещается целиком в мантиссе), то указать относительную погрешность ошибки. Исходные данные в десятичной системе счисления.
683; 6640625 2120 + 1177; 0703125 2173
Решение. Переведём слагаемые в двоичную систему и преобразуем их затем к нормализованному виду
( 1)s 21023 e 1:f:
683; 6640625 2120 + 1177; 0703125 2173 = 1010101011:1010101 2120 + 10010011001:0001001 2173 =
2129 1:0101010111010101 2183 1:00100110010001001 =
| 
 | ( 1)121152 1023 | 1:0101010111010101 | 2129 | 1037 | 
| + | ( 1)021206 1023 | 1:00100110010001001 | 2183 | 1055 | 
| = | ( 1)021206 1023 | 1:00100110010001001 | 2183 | 1055 | 
| 
 | абс = разряды какого порядка не поместилось в 52 бита мантиссы = | 2129 | 1039 | |
| 
 | 
 | отн = абс=2183 | 2 54 | 10 16 | 
2. Написать последовательность инструкций Matlab, формирующих указанную матрицу. Около каждой инструкции указать промежуточный результат в виде матрицы. Разрешается использовать матричные функции (eye, repmat, flipud и др.). Использовать циклы нельзя.
| Входные данные: | 
 | 
 | Нужно получить: | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| 
 | 0 cos2 | 
 | cos2 | 2 | cos2 | 3 | 
 | cos2 | n | 1 | |||
| 
 | cos | 
 | cos | 2 | 
 | cos | 3 | 
 | 
 | cos | n | 
 | 
 | 
| 
 | B .. | n | 
 | n | 
 | n | 
 | 
 | n | C | |||
| Целое n > 10 | n | .. | n | .. | n | .. | .. | n | |||||
| 
 | B . | 
 | . | 
 | 
 | . | 
 | 
 | . | . | 
 | 
 | C | 
| 
 | B | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | C | 
| 
 | B cosn | cosn 2 | cosn 3 | 
 | cosn n | C | |||||||
| 
 | B | n | 
 | n | 
 | n | 
 | n | C | ||||
| 
 | @ | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | A | 
n = 10;
01
1 2 n
| A = repmat([1:n], n, 1); | 
 | B | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | C | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| A = B: : : : : : : : : : : : :C | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||
| 
 | 
 | @ | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | A | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| 
 | A = | 1 | 2 | 
 | n | : : : : :cos: : : :n: :1 | 
 | ||||||||||||
| 
 | 0cos: : : :n: : : cos: : : : n: : : : | 
 | |||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 2 | 
 | 
 | n | 
 | ||||||||||
| A = cos(A*pi/n); | 
 | Bcos | 
 | cos | 2 | 
 | 
 | 
 | cos | n | C | 
 | |||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||
| 
 | 
 | B | n | 
 | n | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | n | 
 | C | 
 | |||||
| 
 | 
 | @ | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | A | 
 | ||||||
| Решение. | 
 | 0 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| 
 | 1 | 1 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| 
 | 
 | B | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | C | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| B = repmat([1:n]’, 1, n); | B = B:2: : :2: : : : : : : :2:C | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||
| 
 | 
 | B | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | C | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | 
 | B | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | C | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | 
 | B | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | C | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | 
 | @ | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | A | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | 
 | n | n | 
 | n | 
 | 
 | 
 | 2 n 1 | ||||||||||
| 
 | 
 | 0 | 2 | 
 | 
 | 
 | 2 | 
 | 
 | 2 | 
 | 
 | |||||||
| 
 | 
 | cos | 
 | cos | 
 | 2 | 
 | 
 | cos | n | 
 | 
 | |||||||
| A = A.ˆB; | 
 | 
 | 
 | n | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | n | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | n | 
 | ||
| A = | B:cos: : : :n: : : :cos: : : : n: : : : : : : : :cos: : : : :n: :C | ||||||||||||||||||
| 
 | 
 | B | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | C | 
| 
 | 
 | B | n | 
 | 
 | n 2 | 
 | 
 | 
 | n n C | |||||||||
| 
 | 
 | B | 
 | n | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | n | 
 | 
 | 
 | 
 | n | C | |||
| 
 | 
 | @ | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | A | 
| 
 | 
 | Bcos | 
 | 
 | cos | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | cos | 
 | 
 | 
 | 
 | C | ||
 
2
3. (а) Локализовать корни уравнения (для каждого корня zi указать отрезок [ai; bi], содержащий только один этот корень zi). Для каждого корня (б) построить итерационный процесс xn+1 = '(xn), сходящийся к корню и (в) указать начальное значение x0. Указание: локализацию проводить перебором интервалов
[ai; bi] или средствами математического анализа.
x3 + 3x2 1 = 0
Решение. Табличным способом выделим отрезки, на концах которых функция f(x) имеет разные знаки
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | x | 3 2 1 0 1 2 3 | |||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | sign f(x) | + + | 
 | + + + | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| 
 | Таким образом, корни исходного уравнения лежат на отрезках [ 3; 2], [ 1; 0] и [0; 1], для каждого | |||||||||||||||||||
| из которых построим свой итерационный процесс. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||
| 
 | Для x 2 [ 3; 2] разделим исходное уравнение на x2. В результате получим равносильное уравнение | |||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | ||||||
| x = '(x), '(x) = | 
 | 3. Итерационный процесс для нахождения первого корня: xn+1 = | 
 | 3. Поскольку | ||||||||||||||||
| x2 | xn2 | |||||||||||||||||||
| xj 0 | [j 3; | 2]. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| '0 | (x) = | 
 | 2 | 
 | 6 41 | < 1 для x 2 [ 3; 2], то сходимость имеет место для всех начальных приближений | ||||||||||||||
| x3 | ||||||||||||||||||||
| 
 | 2 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | Для двух других отрезков исходное уравнение перепишем в виде x2(x+3) 1 = 0. Если x0 2 [ 1; 0], то | |||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | |||||
| определим итерационный процесс xn+1 = | p | 
 | ; если x0 | 2 | [0; 1], то xn+1 = | p | 
 | . Можно показать, что | ||||||||||||
| xn+3 | xn+3 | |||||||||||||||||||
в процессе итераций соответствующие отрезки отображаются в себя, поэтому сходимость построенных
| 
 | 1 | 
 | 1 | 
 | 3 | 
| итерационных процессов следует из оценки j'0(x)j = | 
 | < 1. | |||
| 2 | px+3 | ||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
4. Известно, что интервалу [a; b] принадлежит только корень x уравнения (другие корни интервалу не принадлежат). (а) Построить итерационный процесс Ньютона xn+1 = xn f(xn)=f0(xn) и (б) обосновать какую из границ интервала [a; b] можно принять за x0. Указание: в пункте (б) выяснить знаки производных f0(x) и f00(x) и использовать соответствующую теорему.
sin(ln x) = 0; x 2 [22; 24]
| Решение. Построим итерационный процесс xn+1 = xn | f(xn) | 
 | = xn+1 = xn | xn sin(log(xn)) | 
 | ||||||
| f0(xn) | 
 | cos(log(xn)) | |||||||||
| Определим знаки производных на отрезке [22; 24]: | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| f0(x) = | cos(log(x)) | 6 0:0454 < 0; f00(x) = | cos(log(x)) | 
 | sin(log(x)) | > 0:0018 > 0 | |||||
| x | x2 | 
 | x2 | ||||||||
Так как f0 f00 < 0, то берем левую границу интервала x0 = 22.
5. (а) Построить интерполяционный многочлен Лагранжа для функции f(x) по узлам xi. (б) Оценить сверху погрешность jRn(x)j приближения функции многочленом.
sin(arctan x) x0 = 0; x1 = =2; x2 =
Решение. Строим многочлен Лагранжа по следующей таблице
| x | 0 | =2 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
| sin(arctan x) | sin(arctan 0) | sin(arctan =2) | sin(arctan ) | 
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 
3
P2(x) = 0:1488x2 + 0:7707x
| Найдем погрешность по формуле R2(x) = | f000( | !3(x) = | 
 | f000( | (x 0)(x =2)(x ): | |||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 3! | 
 | 
 | 
 | 
 | 3! | 
 | ||||||||||||||||||
| 
 | f000(x) = | 18 x2 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 3 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 15 x4 | 
 | ||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 5 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 3 | 
 | (x2 | 
 | 7 | 
 | |||||
| 
 | 
 | 
 | (x2 + 1)2 | 
 | (x2 + 1)2 | + 1)2 | 
 | |||||||||||||||||||
| j | R | (x) = | jf000( )j | 
 | j | ! | 
 | (x) | j 6 | 
 | 3 | 
 | 
 | 1:4917 | 
 | 0:7459 | ||||||||||
| 
 | 
 | 6 | 
 | |||||||||||||||||||||||
| 2 | j | 3! | 
 | 
 | 
 | 3 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||
6. Заданную функцию будут интерполировать на отрезке [a; b] по чебышёвским узлам с заданной точностью jRn(x)j < ". Требуется (а) определить требуемое для заданной точности " количество узлов (т.е. степень интерполяционного многочлена плюс 1) и (б) вычислить значения всех узлов и отметить их на действительной оси Ox (если узлов окажется много, ограничиться вычислением значений наименьших
| 10 узлов). | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| 1 | 
 | на отрезке [ 2 | ; 32 ] с точностью | " = 10 2 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||
| f(x) = | p | 
 | + cos x | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||
| 1 + x | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||
| Решение. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| Оценим погрешность многочлена Лагранжа для Чебышевских узлов: | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||
| 
 | 
 | jRn(x)j 6 | Mn+1 | 
 | (b a)n+1 21 2(n+1) | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||
| 
 | 
 | (n + 1)! | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||
| Оказывается, что при n = 5 справедливо f(5) = | 
 | sin(x) | 
 | 
 | 945 | 
 | и | Mn+1 | (b | 
 | a)n+1 | 
 | 21 2(n+1) | 
 | 0:0058. | |||||
| 32 (x+1) | 11 | (n+1)! | ||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 2 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||
| 
 | Выпишем Чебышёвские узлы xk = b+a | + b a cos | (2k 1) | : | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
| 
 | 
 | 
 | 2 | 2 | 2n | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| x1 | = 3:1416 + 1:5708 cos | 9 | = 1:6477, x2 = 3:1416 + 1:5708 cos | 7 | = 2:2183, x3 | = 3:1416 + 1:5708 cos | 5 | = | |||||||
| 
 | 10 | 
 | |||||||||||||
| 
 | 10 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 10 | 
 | |||
| 3:1416, x4 = 3:1416 + 1:5708 cos | 3 | = 4:0649, x5 = 3:1416 + 1:5708 cos | 1 | = 4:6355 | 
 | ||||||||||
| 
 | 
 | 
 | |||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 10 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 10 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
7. Данные некоторого физического эксперимента представлены в таблице. Характер зависимости y(x)
заранее точно неизвестен. Есть предположения, что зависимость может быть линейной, квадратичной или кубической. (а) Методом среднеквадратического приближения построить три типа зависимостей y(x) (т.е. аппроксимирующие многочлены первой, второй и третьей степени). (б) Для каждого типа
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | n | |||
| зависимотей вычислить среднеквадратическое отклонение q | n+1 | 
 | i=0(y(xi) yi)2. (в) Выбрать мини- | ||||||||||
| мальное с.к.о. и указать соответствующий ему тип зависимости, | т.е. наиболее вероятный в проведённом | ||||||||||||
| 
 | P | 
 | |||||||||||
| эксперименте. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| 
 | x | 
 | 1 | 
 | 2 | 
 | 3 | 
 | 
 | 4 | 
 | 
 | 
 | 
| 
 | 0 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| 
 | y | 0:1 | 2:3 | 
 | 4:1 | 
 | 7:3 | 10:9 | 
 | 
 | |||
Решение.
Пусть вначале зависимость линейная: x(t) = a + bx. По методу среднеквадратического приближения получаем: P1(x) = 2:7000x 0:5000.
Среднеквадратическое отклонение
| 1 | = v | 1 | ( 0:1 (2:7000 0 0: | 
 | 2 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 2 | 
 | 
 | 
 | 
 | = 0:5020 | ||||||
| 
 | u | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 5000))2 + (2:3 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 0:5000))2 + (4:1 | 
 | 
 | 
 | 0:5000))2+ | 
 | |||
| 
 | u | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | (2:7000 | 1 | 
 | 
 | 
 | (2:7000 | 2 | 
 | ||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| 
 | t | 
 | 
 | " (7:3 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | # | 
 | 
| 
 | 
 | 5 | (2:7000 3 | 
 | 0:5000)) | + (10:9 | 
 | (2:7000 | 
 | 4 | 
 | 
 | 0:5000)) | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||
Аналогично для квадратичной зависимости: P2(x) = 0:2714x2 + 1:6143x + 0:0429 и 2 = 0:2138. Аналогично для кубической зависимости: P3(x) = 0:0833x3 0:2286x2 + 2:3310x 0:0571 и 3 = 0:1604
Так как 3 наименьшее, следовательно, зависимость кубическая.
4
8. (а) Методом неопределённых коэффициентов составить формулу для вычисления указанной производной по значениям функции в указанных узлах. (б) Раскладывая y(xi) в ряд Тейлора, определить порядок p погрешности O(hp) полученной формулы.
y00(x1) = c0y(x0) + c1y(x1) + c2y(x2) + c3y(x3) + O(hp): x0 x1 x2 x3
| | | 
 | {z } | | | 
 | {z } | | | 
 | {z } | 
| 
 | 
 | h | 
 | 
 | h | 
 | 
 | h | 
Решение.Приблизим функцию y(x) многочленом Лагранжа по узлам x0, x1, x2, x3:
| 
 | 
 | 
 | 
 | 3 | L3(k)(x) | 
 | ||
| y(x) P3(x) = | Xk | 
 | 
 | : | ||||
| 3 | 
 | |||||||
| 
 | yk L(k)(xk) | |||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | =0 | 
 | 
 | 
 | |
| Продифференцируем полученное равенство: | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| 3 | 
 | d2 | 
 | L(k)(x) | 3 | |||
| y(x)00 P300(x) = | yk | 
 | 
 | " | 
 | 
 | # = | ykck(x); | 
| dx2 | L(k) | (xk) | ||||||
| X | 
 | 
 | 
 | 3 | 
 | 
 | Xk | |
| 
 | 
 | 
 | 
 | 3 | 
 | 
 | 
 | |
| k=0 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | =0 | 
| где значение ck(x) не зависит от функции y(x). Нас интересует y100, поэтому положим x = x1: | ||||||||
| 
 | 3 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| y100 | Xk | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| ykck(x1): | 
 | |||||||
| 
 | =0 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| Далее вместо ck(x1) = const будем писать просто ck. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
Вспомним, что многочлен Лагранжа P3(x) является точным приближением, когда функция y(x) есть многочлен степени 6 3. В частности, P3(x) точно аппроксимирует функции
z = 1; z = x x0; z = (x x0)2; z = (x x0)3
(выбор именно этих многочленов обусловлен удобством дальнейших расчётов).
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 3 | 
| Несложно показать, что, если подобрать числа ck | таким образом, чтобы z100 = | zkck было точ- | ||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | k=0 | 
| ным равенством (для выбранных четырёх многочленов z), то это будет значение ck(xP) для многочлена | ||||||||
| Лагранжа в точке x = x1. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| Найдём производные: | z | 1 | x x0 | (x x0)2 | 
 | (x x0)3 | . Для каждой колонки запишем z100 = | |
| z00 | 0 | 0 | 2 | 
 | 6(x x0) | |||
| 3 | 
 | 
 | 
 | |||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| P zkck: | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
k=0
0 = c0 1 + c1 1 + c2 1 + c3 1;
0 = c0(x0 x0) + c1(x1 x0) + c2(x2 x0) + c3(x3 x0);
2 = c0(x0 x0)2 + c1(x1 x0)2 + c2(x2 x0)2 + c3(x3 x0)2; 6(x1 x0) = c0(x0 x0)3 + c1(x1 x0)3 + c2(x2 x0)3 + c3(x3 x0)3:
Узлы xi, i = 0; 1; 2; 3 равноотстоящие с шагом h, поэтому x1 x0 = h, x2 x0 = 2h, x3 x0 = 3h:
0 = c0 + c1 + c2 + c3;
0 = c1 + 2c2 + 3c3;
2 = c1h2 + 4c2h2 + 9c3h2;
6 = c1h2 + 8c2h2 + 27c3h2:
 
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 5 | 
| Решая систему, получим: | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| 1 | 
 | 
 | 
 | 2 | 
 | 1 | 
 | 
 | |||||
| 
 | 
 | c0 = | 
 | ; c1 = | 
 | 
 | ; c2 | = | 
 | ; c3 | = 0: | ||
| h2 | h2 | h2 | |||||||||||
| Окончательно y100 | 1 | (y0 2y1 + y2). | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| h2 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| Имеем: | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
| 
 | 
 | y100 | 
 | 2y1 + y2) + O(hp); | 
 | ||||||||
| 
 | 
 | = | 
 | (y0 | 
 | ||||||||
| 
 | 
 | h2 | 
 | ||||||||||
где порядок p нужно определить. Для этого разложим yi, i = 0; 2 в ряд Тейлора в окрестности точки x1 до члена h4 (сейчас точно неясно до какого члена нужно раскладывать, но, если понадобится, разложение всегда можно продолжить):
| y(x | ) = y(x | ) + (x | 
 | 
 | x )y0 | (x | ) + | (x0 x1)2 | y00(x )+ | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||
| 0 | 1 | 
 | 
 | 0 | 1 | 1 | 
 | 
 | 
 | 2! | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | + | (x0 x1)3 | y000 | (x ) + | (x0 x1)4 | yIV(x ) + O((x | 0 | x | )5); | |||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 3! | 
 | 1 | 4! | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 1 | 
 | |||||
| y(x | ) = y(x | ) + (x | 
 | 
 | x )y0 | (x | ) + | (x2 x1)2 | y00(x )+ | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||
| 2 | 1 | 
 | 
 | 2 | 1 | 1 | 
 | 
 | 
 | 2! | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | + | (x2 x1)3 | y000 | (x ) + | (x2 x1)4 | yIV(x ) + O((x | 2 | x | )5); | |||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 3! | 
 | 1 | 4! | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 1 | 
 | |||||
| В более компактной записи: | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | y0 = y1 hy10 | + h2y100=2 h3y1000=6 + h4y1IV=24 + O(h5); | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | y2 = y1 + hy10 | + h2y100=2 + h3y1000=6 + h4y1IV=24 + O(h5): | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||||
| Подставим полученные значения в формулу для численной производной: | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | h4 | 
 | 
 | h2 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | (y0 | 2y1 + y2) = | 
 | h2y100 + | 
 | y1IV + O(h5) = y100 + | 
 | 
 | y1IV + O(h3) : | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | h2 | h2 | 12 | 12 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | | | 
 | 
 | 
 | {z( | 
 | 
 | } | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | O | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | h2) | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
Так как четвёртая производная в общем случае отлична от нуля, то порядок погрешности равен 2.
9. Даны формула численного дифференцирования и таблично заданная функция y(x) (данные в таблице могут содержать погрешность не более ). Определить оптимальное значение шага hопт, когда достигается максимально возможная точность данной формулы, а неустойчивость численного дифференцирования ещё себя не проявляет.
| ф-ла y00 = | 1 | (y0 | 
 | 2y1 + y2); | функ. y(x) = sin x на отрезке [ =2; ]; погр. = 10 7. | |||||||||
| 2 | ||||||||||||||
| 1 | h | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| Решение. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| Формула численной производной с шагом h: | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | y100 | = | 1 | (y0 2y1 + y2): | 
 | 
 | |||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | h2 | 
 | 
 | ||||||
| В действительности из-за погрешности компьютер вычисляет | 
 | 
 | ||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | y00 | 1 | (~y | 
 | 2~y | + y~ ); | y | = y | i | : | |
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 1 h2 | 0 | 
 | 1 | 2 | где ei | 
 | 
 | |||
 
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 6 | 
| Рассмотрим погрешность | 
 | 
 | 
 | y100 h2 (y0 | 2y1 + y2) + | h2 (y0 2y1 + y2) h2 (~y0 2~y1 + y~2) 6 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| = | y00(x1) h2 (~y0 2~y1 + y~2) = | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | |||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | y0 | 
 | 
 | 
 | y~0 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 2y1 | 
 | 
 | 2~y1 | 
 | 
 | 
 | y2 | 
 | 
 | y~2 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| 
 | 
 | 6 y100 | 
 | 
 | (y0 | 2y1 | + y2) + | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | + | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | + | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 6 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||
| 
 | h2 | 
 | h2 | 
 | 
 | h2 | 
 | 
 | 
 | 
 | h2 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | y | IV | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | M4 | 
 | 
 | 
 | 4 | 
 | ||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ( ) | 
 | 
 | 
 | 2 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 2 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 2 | 
 | 
 | ||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 6 | 
 | 
 | j | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | j | h | 
 | + | 
 | 
 | 
 | + | 
 | + | 
 | 
 | 6 | 
 | 
 | h | 
 | + | 
 | = (h); | ||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 12 | 
 | 
 | 
 | 
 | h2 | h2 | h2 | 12 | 
 | h2 | ||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | | | 
 | 
 | {z | 
 | 
 | 
 | 
 | } | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
см. разложение в лекции №5
где M4 = max jyIV(x)j 6 1.
[x0;x2]
Минимизируем ошибку (h):
| hopt : 0(x) = | M4h | 
 | 8 | = 0 | ) | 
| 6 | h3 | 
| hopt = 4 | M4 | = r | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 0;047: | 
| r | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 7 | 
 | 
 | 
| 
 | 48 | 4 48 | 
 | 10 | 
 | 
 | 
 | |||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
10. Получить (письменно) приближённое значение интеграла I по квадратурной формуле S(h) сначала с шагом h1, а затем с шагом h2. Используя метод Рунге, указать насколько значение S(h2) отличается от истинного значения интеграла I.
| I = | Z1 | n | 
| 2 x sin x dx; S(h) = h i=1 f(xi) (ф-ла правых прямоуг.); h1 = 1=5; h2 = 1=12: | ||
| 
 | 
 | X | 
Решение. Используя формулу правых прямоугольников, получим:
S(1=5) = 15 (1;2 sin 1;2 + 1;4 sin 1;4 + 1;6 sin 1;6 + 1;8 sin 1;8 + 2 sin 2) 1;5338;
| 1 | 
 | 13 | 13 | 14 | 
 | 14 | 15 | 15 | 16 | 
 | 
 | 16 | 
 | 17 | 
 | 
 | 17 | 
 | 18 | 
 | 18 | 
 | 19 | 
 | 
 | 
 | 19 | 
 | 20 | 
 | 20 | 
 | |||||||||||||||||||||||
| S(1=12) = | 
 | 
 | sin | 
 | + | 
 | sin | 
 | 
 | + | 
 | sin | 
 | 
 | 
 | + | 
 | 
 | sin | 
 | 
 | + | 
 | 
 | 
 | sin | 
 | 
 | + | 
 | 
 | sin | 
 | 
 | + | 
 | 
 | sin | 
 | 
 | + | 
 | sin | 
 | + | ||||||||||
| 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 21 | 
 | 
 | 21 | 22 | 22 | 23 | 23 | 24 | 
 | 
 | 
 | 
 | 24 | 1;4804: | 
 | 
 | |||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | + | 
 | sin | 
 | 
 | + | 
 | sin | 
 | + | 
 | sin | 
 | + | 
 | sin | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 
 | 
 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| Для оценки погрешности S(1=12) воспользуемся методом Рунге. Справедлива формула: | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | b | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | 
 | Za | f(x) dx = S(h) + O(hp) = S(h) + chp + O(hp+1); | c = const: | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Отбрасывая слагаемое меньшего порядка малости, получим: | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | b | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | Z f(x) dx | 
 | S(1=5) + c(1=5)1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||||
aS(1=12) + c(1=12)1
Откуда
S(1=5) S(1=12)
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | c | 
 | 
 | : | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | (1=12)1 (1=5)1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | S(1=5) | 
 | 12) | 
 | 
 | 
 | 
 | 1;5338 | 
 | 1;4804 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
| погрешность = | j | I | 
 | S(1=12) | j j | c(1=12)1 | j | S(1= | (1=12)1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | (1=12)1 | 
 | 0;038: | |||||||||
| (1=12) | 1 1 | (1=12) | 1 | 
 | 1 | |||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | (1=5) | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | (1=5) | 
 | 
 | 
 | ||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 
7
11. Предложить способ вычисления несобственного интеграла на компьютере. Указание: использовать один из методов, рассмотренных на лекции или семинаре.
| 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | ln x | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | Z0 | 
 | 
 | dx | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 1 + x2 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||
| Решение. Интеграл является несобственным, так как x | lim | 
 | 
 | ln x2 | 
 | = | 1. Заметим, что для любого | > 0 | |||||||||||||||||
| ! | 0+0 1+x | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | прав. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | x 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| 
 | 
 | 
 | x ln x = lim | ln x | Лопит. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||
| 
 | lim | 
 | = | 
 | 
 | 
 | 
 | lim | 
 | 
 | 
 | 
 | = 0: | 
 | 
 | ||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | x 1 | 
 | |||||||||||||||||||
| 
 | x!0+0 | 
 | x!0+0 x | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | x!0+0 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||
| 1 ln x | dx = | 1 | (1 + x2 x2) ln x | dx = | 
 | 
 | 1 ln x dx | 
 | 1 | x2 ln x | dx | 
 | |||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||||||
| Z0 1 + x2 | 
 | 
 | Z0 | 
 | 
 | ||||||||||||||||||||
| Z0 | 
 | 1 + x2 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | Z0 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 + x2 | 
 | ||||||||||
| Первый интеграл вычисляется явно | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
 | 1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| 
 | 
 | 
 | Z0 | ln x dx = x ln xj01 Z0 | x | 
 | dx = 1: | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | x | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||||||
Второй интеграл уже не является несобственным, следовательно, для его вычисления применима, например, составная формула Симпсона.
12. Для заданной матрицы вычислить подчинённую норму матрицы для следующих векторных норм:
| jjxjj1 | = i | jxij, jjxjj2 | = r | 
 | 
 | 
 | 
| i | xi2. | |||||
| 
 | P | 
 | P | 
 | 
 | |
01
1 3 2
BC
| B | 3 | 3 | 4 | C | 
| 1 | 9 | 7 | ||
| @ | 
 | 
 | 
 | A | 
Решение.
| 
 | 
 | n | 
| jjAjj1 = | j | jaijj! = | 
| 
 | max | Xi | 
| 
 | 
 | |
| 
 | 
 | =1 | 
= max (j 1j + j3j + j1j; j3j + j 3j + j9j; j2j + j4j + j7j) = 15:
q
jjAjj2 = max i(A>A). Найдём матрицу
i
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 0 | 11 | 
 | 3 | 17 | 1 | 
 | 
 | |||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | B = A>A = | B | 3 | 
 | 99 | 57 | C | 
 | 
 | |||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | @ | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | A | 
 | 
 | |
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | B | 17 | 
 | 57 | 69 | C | 
 | 
 | |||
| И её собственные значения | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||
| 
 | 
 | 
 | B | E = | 11 | 
 | 3 | 
 | 17 | 
 | = | 
 | 3 + 179 2 5132 + 4356: | |||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | j | 
 | 
 | j | 
 | 
 | 3 | 99 | 
 | 57 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 17 | 
 | 57 | 69 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| Из уравнения | j | 
 | 
 | 
 | j | = 0 получаем | 1 | 
 | 
 | 143;43, 2 | 
 | 34;69 и 3 | 
 | 0;88. Выбираем максимальное с.з. | ||||||||||||
| 
 | B | 
 | E | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||||||
| 1 и получаем jjAjj2 = | p | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| 
 | 1 11;96. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||
 
8
13. Правая часть СЛАУ Ax = f содержит погрешность, норма которой равна jj fjj1. Оценить относи-
| тельную погрешность нормы решения | jj xjj1 | . Указание: воспользоваться оценкой | jj xjj1 | 6 (A) | jj fjj1 | . | |||||||||
| A = 0 6 | 
 | jjxjj1 | 
 | 
 | 0 7;2 | 
 | jjxjj1 | 
 | jjfjj1 | ||||||
| 6 | 8 1; f = | 1; jj fjj1 = 0;6 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||
| B | 7 | 3 | 8 | C | B | 7;1 | C | 
 | 
 | 
 | |||||
| 
 | 5 | 1 | 
 | 
 | 3 | 6;7 | 
 | 
 | 
 | ||||||
| B | 
 | 
 | 
 | 
 | C | B | 
 | C | 
 | 
 | 
 | ||||
| @ | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | A | @ | 
 | A | 
 | 
 | 
 | ||
Решение.
jjfjj1 = maxfj 7; 1j; j7; 2j; j6; 7jg = 7;2:
jjAjj1 = maxfj 7j + j 3j + j 8j; j6j + j 6j + j 8j; j 5j + j1j + j 3jg = 20:
| A 1 = | 0 | 0:3537 | 0:1159 | 0:6341 | 1 | 
| 
 | B | 0:1585 | 0:1037 | 0:1463 | C | 
| 
 | 0:1463 | 0:1341 | 0:3659 | ||
| 
 | B | 
 | 
 | 
 | C | 
| 
 | @ | 
 | 
 | 
 | A | 
jjA 1jj1 = maxfj 0:1585j+j0:1037j+j0:1463j; j 0:3537j+j0:1159j+j0:6341j; j0:1463j+j 0:1341j+j 0:3659jg = 1;1037:
| jj xjj1 | 6 | (A) | jj fjj1 | = | 
 | A | 
 | A 1 | 
 | jj fjj1 | 
 | 20 | 
 | 1;1037 | 
 | 0;6 | 1;84: | ||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||
| jj | jj1jj | 
 | 
 | 
 | 7;2 | ||||||||||||||
| jjxjj1 | 
 | jjfjj1 | 
 | 
 | jj1 jjfjj1 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||
14. Для задачи построить разностную схему с заданным порядком аппроксимации.
(
u00(x) + u(x) = cos x + 1;
желаемый порядок аппроксимации p = 2.
u(1) = 2; u0(3) 3u(3) = 1;
Решение. Как видно из граничных условий, решение ищется на отрезке [1; 3]. Разобьём этот отрезок на n равных частей. Длина каждого частичного отрезка равна h = (3 1)=n. Введём в рассмотрение сетку
! = fx0; x1; : : : ; xng, где x0 = 1; x1 = 1 + h; x2 = 2 + 2h; : : : ; xn 1 = 3 h; xn = 3. Рассмотрим также
сеточную функцию yi = y(xi), определённую только в узловых точках xi, i = 0; 1; : : : ; n.
Требуется построить систему линейных уравнений с неизвестными yi, где yi u(xi). Совокупность
таких yi будет численным решением краевой задачи.
Погрешность аппроксимации должна по условию задачи иметь порядок 2 (т.е., например, уменьшение
шага h вдвое должно уменьшать погрешность решения jyi u(xi)j в четыре раза).
Заменим в уравнении производную разделённой разностью (см. лекцию 5) u00(xi) yi 1 2y2i+yi+1 .
h
Исходное дифференциальное уравнение перейдёт в разностное
u00(x) + u(x) = cos x + 1 ! yi 1 2yi + yi+1 h2
Убедимся, что получен второй порядок аппроксимации. В разностное уравнение вместо сеточной функции подставим точное решение, т.е. заменим yi на ui = u(xi). Кроме этого разложим ui 1 в ряд Тейлора в окрестности точки xi
| 
 | h2 | 
 | 
 | h3 | h4 | ||
| ui 1 = ui hui0 + | 
 | ui00 | 
 | ui000 + | 
 | uIV( ); 2 [xi 1; xi]; + 2 [xi; xi+1]: | |
| 2 | 3! | 4! | |||||
| После сокращения имеем | 
 | h2 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| ui00 | 
 | 
 | [uIV( ) + uIV( +)] + ui = cos xi + 1: | ||||
| 12 | |||||||
 
9
Вычитая из последнего равенства исходное дифференциальное уравнение, получаем невязку n(1) =h122 [uIV( ) + uIV( +)] = h62 uIV( ) = O(h2), где 2 [ ; +]. Получен требуемый порядок аппроксимации.
Очевидно, замена граничного условия u(1) = 2 на y0 = 2 не имеет погрешности аппроксимации.
В правом граничном условии нельзя заменить u0(3) левой разделённой разностью, так как u0(3) =
| yn yn 1 | + O(h1). Выделим в O(h1) главный член. Из формулы Тейлора в окрестности xn = 3 имеем | ||||||||||||||
| h | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | h2 | 
 | 
 | |||
| 
 | 
 | u(3 h) = u(3) hu0(3) + | 
 | 
 | 
 | u00(3) + O(h3); | |||||||||
| 
 | 2 | ||||||||||||||
| откуда | 
 | 
 | 
 | u(3) u(3 h) | 
 | 
 | 
 | h | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| 
 | 
 | u0(3) = | 
 | + | u00(3) + O(h2): | ||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | h | 
 | 
 | 2 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| Из исходного уравнения следует, что u00(3) + u(3) = cos(3) + 1. Таким образом, | |||||||||||||||
| 
 | 
 | u(3) u(3 h) | + | h | [cos(3) + 1 | 
 | u(3)] + O(h2) | 
 | 3u(3) = 1: | ||||||
| 
 | 
 | h | 
 | ||||||||||||
| 
 | 
 | 2 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||
Невязка для правого граничного условия равна O(h2), что даёт второй порядок аппроксимации.
Окончательный ответ это система из n + 1 линейного уравнения с неизвестными y0; y1; : : : ; yn
>
| 8 | y | i 1 | 2y | + y | i+1 | + yi = cos xi + 1; где i = 1; 2; : : : ; n 1 и xi = 1 + ih; | ||||
| 
 | 
 | h2i | 
 | |||||||
| > | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| > y0 = 2; | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| > | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| > | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| > | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| < yn | 
 | yn | 
 | 1 | + h2 [cos(3) + 1 yn] 3yn = 1: | |||||
| > | 
 | 
 | 
 | h | 
 | |||||
>
>
>
:
15. Для решения (начальной или краевой) задачи, где x 2 [0; 2], предложена разностная схема. Определить, аппроксимирует ли разностная схема задачу. Если аппроксимация имеет место, найти её порядок.
| Указание: использовать разложение в ряд Тейлора. | 
 | 2yh0 | 
 | 
 | ||||
| 
 | 
 | 8 y2 | 
 | 
 | ||||
| u0 | + u = x | 
 | yi+1 | yi 1 | + yi = ih | |||
| ( u0 | (0) = 1; u(2) = 0; | < | 
 | 
 | 
 | = 1; yn = 0 (где xn = 2) | ||
| Решение. Рассмотрим разностное уравнение | : | 
 | 2h | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | yi+1 yi 1 | + yi | = ih: | |||||
| 
 | 
 | 2h | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
Раскладывая ui+1 в окрестности ui и подставляя в последнее уравнение, а затем вычитая исходное уравнение, получим невязку 1 = O(h1).
Рассмотрим первое краевое условие в разностном виде
y2 y0 = 1 2h
Раскладывая u2 в окрестности u0 и подставляя в последнее уравнение, а затем вычитая исходное краевое
| условие, получим невязку | 2 = O(h1). | ||
| Рассмотрим второе краевое условие в разностном виде | |||
| 
 | 
 | 
 | yn = 0: | 
| В этом случае невязка | 3 равна нулю. | ||
| lim max | fj | 1j; j | 2j; j 3jg = 0, то аппроксимация имеет место. Порядок аппроксимации равен | 
| Так как h!0 | |||
maxf1; 1g = 1.
 
10
16. Проверить выполнимость достаточных условий применимости метода прогонки для решения СЛАУ
Ax = f. Если эти условия выполняются, решить систему методом прогонки (вычислять можно на компьютере, но в решении указать значения всех прогоночных коэффициентов i, i).
| 0 7 | 10 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 4 | 1 | |||||
| A = B | 11 | 7 | 0 | 0 | 0 | 
 | 
 | 1 | C | |||
| 0 | 
 | 10 20 6 | 0 | C; f = B 5 | ||||||||
| B | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | C | B | 
 | 
 | C | 
| B | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | C | B | 
 | 
 | C | 
| B | 0 | 0 | 10 | 18 | 
 | 7 | C | B | 6 | C | ||
| B | 0 | 0 | 0 | 6 | 
 | C | B | 
 | 9 | C | ||
| B | 
 | 13 | C | B | 
 | C | ||||||
| B | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | C | B | 
 | 
 | C | 
| @ | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | A | @ | 
 | A | |
Решение. Преобразуем первое и последнее уравнения системы, чтобы она приобрела вид:
| 0 | 1 | {1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| B | a1 | a | c | 
 | b | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| B | c1 | b1 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | 2 | 
 | 
 | 2 | 
 | 2 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| B | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| B | 
 | 
 | .. | . | .. | . | 
 | .. | . | 
 | ||
| B | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
| B | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| B | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | an 1 | 
 | cn | 1 | |||
| B | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| B | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| B | 0 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | {2 | 
 | |
| B | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| @ | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
|{z
0
bn 1
1
| 1 | 
 | y0 | 
 | 1 | 0 | 1 | 1 | ||||||||
| 0 | y1 | 
 | 
 | 
 | 
 | f1 | |||||||||
| CB | y2 | 
 | C | B | f2 | C | |||||||||
| CB | 
 | 
 | 
 | C = B | 
 | C | |||||||||
| C . | 
 | C | B | 
 | 
 | 
 | . | 
 | C | ||||||
| CB . | 
 | 
 | 
 | 
 | . | 
 | |||||||||
| CB . | 
 | C | B | 
 | 
 | 
 | . | 
 | C | ||||||
| CB | 
 | 
 | 
 | C | B | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | C | ||||
| CB yn | 1 | C | B | 
 | fn 1 | C | |||||||||
| CB | 
 | 
 | C | B | 
 | 
 | 
 | C | |||||||
| CB | 
 | 
 | 
 | C | B | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | C | ||||
| CB | yn | 
 | C | B | 
 | 2 | C | ||||||||
| CB | 
 | 
 | 
 | C | B | 
 | 
 | C | |||||||
| A@ | 
 | 
 | 
 | A | @ | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | A | ||||
| }| | 
 | {z | 
 | 
 | 
 | } | | | 
 | 
 | 
 | {z | 
 | 
 | } | |
| 0 | 
 | A | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | y | 
 | 
 | f | ||
| 7 | 10 | 1 | 0 | 0 | 0 | 
 | 4 | 1 | ||||||
| 
 | 1 | 0;64 0 | 0 | 0 | C; f = B | 0;09 | C | |||||||
| A = B 0 | 10 20 | 6 | 0 | 
 | 5 | |||||||||
| B | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | C | B | 
 | 
 | C | ||
| B | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | C | B | 
 | 
 | C | |
| B | 0 | 0 | 10 | 18 | 
 | 7 | C | B | 
 | 6 | C | |||
| B | 0 | 0 | 0 0;46 | 1 | C | B | 
 | 0;69 | C | |||||
| B | 
 | C | B | 
 | C | |||||||||
| B | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | C | B | 
 | 
 | C | |
| @ | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | A | @ | 
 | A | ||
| Проверим условия применимости метода прогонки: | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | aj 6= 0; | bj 6= 0; | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| jcjj > jajj + jbjj; j = 1; 2; : : : ; n 1 (диагональное преобладание), | ||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | j{1j 6 1; j{2j < 1: | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||
| j10j > j7j + j 1j; | j20j > j 10j + j6j; | j18j > j10j + j 7j; | ||||||||||||
| 
 | 
 | j 0;64j 6 1; | j0;46j < 1: | 
 | 
 | 
 | ||||||||
| Следовательно, метод прогонки применим. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
| Далее воспользуемся формулами | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| 
 | 
 | 
 | 
 | 1 = {1; | 1 = 1: | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| 
 | bj | 
 | 
 | 
 | 
 | aj j + fj | j = 1; 2; : : : ; n 1: | |||||||
| j+1 = | 
 | ; | j+1 = | 
 | ; | |||||||||
| cj jaj | cj jaj | |||||||||||||
| 
 | 
 | yn = ({2 n + 2)=(1 {2 n) | 
 | 
 | 
 | |||||||||
| yj = j+1yj+1 + j+1; | j = n 1; n 2; : : : ; 0; | 
 | ||||||||||||
