- •1. ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ТЕОРИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ; ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ, МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ
- •1.1. Источники и классификация погрешностей результата численного эксперимента
- •1.2. Погрешности чисел
- •1.3. Погрешности арифметических операций
- •1.4. Погрешности функций
- •1.5. Особенности машинной арифметики
- •1.6. Лабораторная работа № 1. Определение абсолютной и относительной погрешностей приближенных чисел. Оценка погрешностей результата
- •1.7. Корректность вычислительной задачи
- •1.8. Обусловленность вычислительной задачи
- •1.9. Вычислительные методы, их классификация
- •2. ПРИБЛИЖЕНИЕ ФУНКЦИЙ
- •2.1. Задача приближения функций
- •2.2. Интерполяция обобщенными многочленами
- •2.3. Полиномиальная интерполяция. Многочлен Лагранжа
- •2.4. Погрешность интерполяции
- •2.5. Конечные разности и их свойства
- •Доказательство
- •2.6. Разделенные разности и их свойства
- •2.9. Лабораторная работа № 2. Интерполирование и экстраполирование данных. Интерполяционный многочлен Лагранжа
- •2.10. Интерполяционный многочлен Ньютона с конечными разностями
- •2.11. Лабораторная работа № 3. Интерполирование и экстраполирование данных. Интерполяционный многочлен Ньютона
- •2.12. Интерполяционные формулы Гаусса, Стирлинга и Бесселя
- •3. МЕТОД НАИМЕНЬШИХ КВАДРАТОВ И СПЕЦИАЛЬНЫЕ ИНТЕРПОЛЯЦИОННЫЕ МНОГОЧЛЕНЫ
- •3.1. Постановка задачи и вывод формул метода наименьших квадратов
- •3.3. Глобальная полиномиальная интерполяция
- •3.4. Чувствительность интерполяционного многочлена к погрешностям входных данных
- •3.5. Многочлены Чебышева
- •3.6. Решение задачи минимизации оценки погрешности
- •3.8. Лабораторная работа №5. Экономизация степенных рядов
- •3.9. Локальная интерполяция
- •3.10. Сплайны, их свойства и построение
- •3.11. Погрешность приближения кубическими сплайнами
- •3.13. Тригонометрическая интерполяция. Дискретное преобразование Фурье и его реализация на ЭВМ
- •3.14. Матричная форма записи дискретного преобразования Фурье (ДПФ)
- •3.15. Алгоритм реализации ДПФ
- •3.16. Пример реализации алгоритма ДПФ при
- •3.17. Лабораторная работа № 7. Дискретное преобразование Фурье
- •4. ЧИСЛЕННОЕ ДИФФЕРЕНЦИРОВАНИЕ И ЧИСЛЕННОЕ ИНТЕГРИРОВАНИЕ
- •4.1. Простейшие формулы численного дифференцирования для первой производной
- •4.2. Формулы численного дифференцирования для второй производной
- •4.3. Формулы численного дифференцирования, основанные на интерполяции алгебраическими многочленами
- •4.4. Обусловленность формул численного дифференцирования
- •4.5. Простейшие квадратурные методы численного интегрирования
- •4.6. Оценка погрешностей простейших квадратурных формул
- •4.7. Квадратурные формулы интерполяционного типа
- •4.8. Квадратурные формулы Гаусса
- •4.9. Лабораторная работа № 8. Численное дифференцирование и численное интегрирование функций
- •5. РЕШЕНИЕ СИСТЕМ ЛИНЕЙНЫХ АЛГЕБРАИЧЕСКИХ УРАВНЕНИЙ И ПРОБЛЕМЫ СОБСТВЕННЫХ ЗНАЧЕНИЙ
- •5.1. Нормы векторов и матриц и их свойства
- •5.2. Обусловленность задачи решения системы линейных алгебраических уравнений
- •5.3. Метод Гаусса (схема единственного деления)
- •5.4. Метод прогонки
- •5.5. Метод простых итераций
- •5.6. Сходимость метода простых итераций
- •5.10. Постановка задачи нахождения собственных чисел
- •5.11. Подобные матрицы
- •5.12. Локализация собственных значений
- •5.13. Степенной метод
- •5.14. Вычисление собственных векторов методом обратных итераций
- •6. ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ УРАВНЕНИЙ И СИСТЕМ
- •6.1. Решение нелинейных уравнений
- •6.2. Метод Ньютона для уравнений
- •6.3. Сходимость метода Ньютона и трудности его применения
- •6.4. Метод Ньютона решения систем нелинейных уравнений
- •6.6. Модификации метода Ньютона
- •6.7. Лабораторная работа № 11. Решение систем нелинейных уравнений методом Ньютона
- •7. ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ КОШИ ДЛЯ ОБЫКНОВЕННЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ И СИСТЕМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ
- •7.1. Задача Коши для дифференциального уравнения первого порядка
- •7.2. Численные методы решения задачи Коши. Основные понятия и определения
- •7.3. Решение с помощью рядов Тейлора
- •7.5. Анализ ошибок, возникающих при использовании методов Рунге - Кутты
- •7.6. Методы прогноза и коррекции
- •7.7. Сравнение методов
- •7.8. Лабораторная работа № 12. Методы интегрирования обыкновенных дифференциальных уравнений
- •7.9. Решение задачи Коши для систем обыкновенных дифференциальных уравнений
- •7.11. Лабораторная работа № 13. Численное интегрирование систем дифференциальных уравнений первого порядка
- •8. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ С ЧАСТНЫМИ ПРОИЗВОДНЫМИ (УРАВНЕНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ)
- •8.1. Классификация уравнений математической физики
- •8.2. Простейшие задачи, приводящие к дифференциальным уравнениям в частных производных
- •8.4. Уравнения параболического типа. Явные и неявные схемы
- •Доказательство
- •8.5. Уравнения гиперболического типа
- •8.6. Уравнения эллиптического типа
- •8.7. Свойства разностных схем для дифференциальных уравнений: способность аппроксимировать исходную дифференциальную задачу, устойчивость и сходимость
- •8.8. Некоторые обобщения
- •8.9. Лабораторная работа № 14. Решение задачи Дирихле для уравнения Лапласа методом сеток
- •8.10. Лабораторная работа № 15. Решение однородного уравнения колебаний струны методом сеток по неявной схеме.
f (x)− P (x) |
|
≤ |
M n+1 |
|
|
ω |
|
(x) |
|
или max |
|
f (x)− P (x) |
|
≤ |
M n+1 |
|
|
ω |
|
(x) |
|
, M |
|
= max |
|
f (n+1)(x) |
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
(n +1)! |
|
(n +1)! |
|
|
|||||||||||||||||||||||
n |
|
|
|
|
n+1 |
|
|
[a, b] |
|
n |
|
|
|
|
n+1 |
|
|
|
n+1 |
[a, b] |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ωn+1 (x)= (x − x0 )(x − x1 )(x − x2 )...(x − xn ).
Пример. Вычислим значение L3 (0.2) в предыдущем примере и оценим точность по-
лученного значения:
L3 (0.2)= 41.67 0.008 − 30.00 0.04 + 7.58 0.2 − 0.50 = 0.033 −1.200 +1.516 − 0.60 = −0.15. f (x)− L3 (x) ≤ 1 2M34 4 (x − x0 )(x − x1 )(x − x2 )(x − x3 ).
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Представление о типичном характере функ- |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ции ωn+1 (x) |
дает график слева. При выходе |
x за |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
пределы значений аргумента ωn+1 (x) быстро стре- |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
ω4(x) |
|
|
|
|
|
|
мится к плюс бесконечности. Несколько огрубляя |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
оценку |
погрешности, |
|
|
можно |
|
|
|
|
получить |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
max |
|
|
|
f (x) |
− L |
|
(x) |
|
≤ |
|
M n+1 |
|
hn+1 , где h |
|
|
= max h . В |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
4(n +1) |
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
[x0 ,xn ] |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
max |
|
max |
|
|
1≤i≤n |
i |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
x0 |
x1 |
x2 |
x3 |
|
|
|
нашем |
|
|
случае |
|
|
hmax = 0.2 |
|
|
и |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f (x)− L (x) |
|
|
|
|
M 4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
max |
|
|
≤ |
0.24 |
= 0.0001 M |
4 |
. Сколь- |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
[−0.5,1.0] |
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
16 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
нибудь достоверную оценку |
M 4 |
= max |
|
f IV (x) |
|
|
здесь получить невозможно. Если предполо- |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
жить |
|
M 4 |
< 1, то |
ε ≈10−4. |
|
[x0 ,xn ] |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
2.5. Конечные разности и их свойства |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
Пусть функция y = f (x) задана таблично yi |
= f (xi ), |
i = |
|
, |
|
h = xi |
− xi−1 |
= const |
- шаг |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
0, n |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
таблицы, |
x0 < x1 < ... < xn - узлы таблицы. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
Величина |
yi |
= yi+1 − yi |
называется конечной разностью первого порядка функ- |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ции |
y = f (x) в точке |
xi с шагом h . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y = f (x) |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
Конечная |
разность |
порядка |
k |
функции |
в |
точке |
|
|
xi |
есть |
|||||||||||||||||||||||||||||
k yi |
= |
|
k −1 yi+1 − |
k −1 yi . |
Таким |
образом, |
конечная |
|
разность |
второго порядка |
есть |
||||||||||||||||||||||||||||||
2 yi |
= |
|
yi+1 − yi |
= yi+2 |
− yi+1 − yi+1 + yi = yi+2 − 2 yi+1 + yi . Аналогичным образом могут быть |
определены конечные разности произвольного порядка.
Конечные разности чаще всего располагают в виде таблицы следующим образом:
x |
y |
y |
2 y |
3 y |
... |
n y |
x0 |
y0 |
y0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x1 |
y1 |
y1 |
2 y0 |
3 y0 |
|
|
|
|
|
|
|
||
x2 |
y2 |
|
2 y |
|
|
|
|
|
y2 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x3 |
y3 |
|
|
|
|
n y0 |
... |
... |
|
xn−1 |
|
|
|
yn−1 |
|
|
yn−2 |
|
2 yn−2 |
|
3 yn−3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
yn−1
xn yn
28