0.008
0.007
y(t)
0.006
0.005
0.004
0.003 |
y''(t) = y(t), = - 1 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
0.002 |
|
|
|
|
|
|
0.001 |
|
|
h = 0.0375 |
|
|
|
0.000 |
|
|
|
|
|
|
0.0 |
0.5 |
1.0 |
1.5 |
2.0 |
2.5 |
3.0 |
t
Рис. 4.3. Абсолютная погрешность численного решения ЗК (4.10), (4.11)
4.3. Метод Эйлера. Улучшение точности
Обобщение метода Эйлера связано с необходимостью повышения точности при заданном шаге сетки h.
Определение 4.2. Численный метод называют методом k-го порядка точности, если его погрешность пропорциональна hk .
Метод Эйлера, следовательно, имеет первый порядок точности. Для уменьшения погрешности, очевидно, необходимо улучшить приближение (4.7). Этого можно достичь, например, с помощью использования разложения по формуле Тейлора в окрестности каждого из узлов ti сетки. Например, для достижения второго порядка точности используем приближение
Y (ti 1) Y (ti ) h Y (ti ) h22 Y (ti ) Yi hF(ti ;Yi ) h22 Y i . (4.20)
Формула (4.20) позволяет вычислить Y в каждой последующей точке по известным Y , Y в предыдущей точке. Следовательно, осталось определить
Y t . Естественный способ сделать это состоит в замене вторых производных
83
соответствующими разностными отношениями. Разностное отношение для второй производной (как и для высших производных) определяется по аналогии с
(4.4). Следует при этом иметь в виду, что, поскольку знак t в правой части (4.4) произволен, разностное отношение определяется не единственным способом. Например, для второй производной можно использовать разностное отношение
Y |
|
12 Yi 1 2Yi |
Yi 1 . |
(4.21) |
i |
|
h |
|
|
Тогда вместо (4.20) получим
Y |
Y |
2F(t |
;Y ) h |
(i = 1,2,…, N-1). |
(4.22) |
i 1 |
i 1 |
i |
i |
|
|
Видно, что в рекуррентном соотношении (4.22) задействованы три соседних узла. Таким образом, желая повысить порядок точности метода, мы несколько усложняем процедуру вычислений. При построении по аналогии с (4.21), (4.22) численного метода k-го порядка точности получим рекуррентное соотношение, в
котором величина Yi 1 выражена через значения Yi 1 j ( j 1,...,m) в m
предыдущих узлах. Численные схемы, приводящие к таким соотношениям, называются явными m-шаговыми. Численные схемы, которые вообще не приводят к рекуррентным соотношениям, называют неявными. Методы, в которых разностные отношения строятся на дополнительно введенных промежуточных узлах (между i-м и i+1-м), относятся к методам Рунге – Кутта [5].
Здесь мы рассмотрим более простой способ повышения точности численного решения ЗК. Он является одношаговым и основан на получении высших производных в ряде Тейлора повторным дифференцированием уравнения (4.1). Например, имея в виду (4.20), из (4.1) получим
84
|
|
|
F(t;Y (t)) |
|
n F(t;Y (t)) dy (t) |
|
|||||
Y (t) |
|
t |
|
y |
l |
|
|||||
|
dt |
||||||||||
|
F |
(t;Y (t)) |
|
l 1 |
|
l |
|
|
|||
|
n |
F |
(t;Y |
(t)) |
|
|
|
||||
|
|
t |
|
|
|
y |
|
fl (t;Y (t)). |
|
||
|
|
|
|
|
l 1 |
|
l |
|
|
|
|
Продемонстрируем данный способ на примере ЗК (4.10), (4.11). В этом случае
yi 1 yi hyi h22 yi (ti ) yi hyi 2 h22 y i .
Отсюда следует
yi 1 h h22 2 i y0 .
(4.23)
(4.24)
(4.25)
Легко получить выражения для абсолютной и относительной погрешности в i-м узле:
(y ) |
3 h2 |
t |
exp( t ), |
(4.26) |
|
|
i y |
||||
i |
|
6 |
0 |
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
(y ) |
3 h2 t |
(4.27) |
||
|
|
i . |
|||
|
|
i |
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Из (4.26) и (4.27) видно, что действительно описанный метод и в самом деле имеет второй порядок точности. На рисунке 4.4. представлены графики приближенных решений первого порядка точности (черные квадраты), второго порядка точности (светлые квадраты), и точное решение ЗК (4.10), (4.11). И то, и другое приближенные решения получены на сетке с шагом h = 0.15 (количество
85
узлов N = 20). Рисунок 4.4. хорошо иллюстрирует эффективность численных методов высокого порядка точности.
20 
Численное решение, 1-й порядок
Численное решение, 2-й порядок 
Точное решение
15
Y(t)
10
5
0 |
|
|
|
|
|
|
0.0 |
0.5 |
1.0 |
1.5 |
2.0 |
2.5 |
3.0 |
t
Рис.4.4. Численное сравнение решений задачи Коши
4.4. Контрольные вопросы
1. Для задачи Коши
y 4y sin x, y 0 2,
выписать формулы решения для явного и неявного метода Эйлера. 2. Для задачи Коши
|
y y 2z 9x, |
|
|
z 2y z 4ex, |
|
|
|
|
|
y 0 1, |
|
z 0 2, |
|
выписать формулы решения для явного и неявного метода Эйлера.
86
3. Для задачи Коши
y 0,04y, y 0 1000,
найти точное решение и сравнить его с приближенными решениями, полученными явным методом Эйлера с шагами h 1;0.5;0.25 в точке x 1.
Оценить погрешность. 4. Для задачи Коши
y 0,01y, y 0 100,
найти точное решение при x 100 и сравнить его с приближенными решениями, полученными явным методом Эйлера при h 150.20. Оценить погрешность.
5. Для задачи Коши
y 4 2x, y 0 2,
найти точное решение и сравнить его с приближенным, полученным явным методом Эйлера при h 0.5;0.25. Оценить погрешность.
6. Для задачи Коши
y xy , y 0 20,
найти точное решение и приближенные решения модифицированным методом Эйлера на 0,12 при h 2. Сравнить их. Оценить погрешность.
7. Для задачи Коши
87