- •Слайд-лекции по дисциплине «Численные методы»
- •Лекция 1.
- •1. Постановка задачи
- •Методы решений нелинейных уравнений делят на:
- •Три этапа поиска корня:
- •2. Отделение корня
- •Рис. 1 — Графическое отделение корня
- •Для отделения корня можно активно использовать компьютер.
- •3. Уточнение корня. Метод деления отрезка пополам
- •Пусть на интервале [a,b] расположен один корень.
- •Через n итераций интервал будет равен bn an 21n b a
- •Графически метод половинного деления выглядит следующим образом
- •Рис. 4 — Блок-схема метода деления отрезка пополам
- •Лекция 2. Уточнение корня нелинейного
- •1. Метод Ньютона (метод касательных)
- •Рассмотрим полученный треугольник Aax. Для него:
- •Достоинство метода — быстрая сходимость. Если выполняется условие: F''(х) (вторая производная) сохраняет знак
- •Рис. 6 — Блок-схема метода Ньютона
- •2. Метод итераций (простых)
- •В качестве x0 берут обычно один из
- •3. Метод хорд
- •Рассмотрим рис.8а. Проведем через точки А и В хорду. Уравнение хорды
- •Если выполняется условие (а), то в формуле (1) заменяя точку а на х1,,
- •На рис 8б, 9б выполняется
- •Теорема.
- •Лекция 3. Решение систем линейных алгебраических уравнений.
- •1. Постановка задачи. Правило Крамера.
- •Постановка задачи.
- •Используя понятия матрицы:
- •Правило Крамера состоит в вычислении главного определителя матрицы А:
- •2. Метод обратной матрицы
- •3. Метод Гаусса
- •Для «дважды штриховых» коэффициентов общие формулы имеют вид:
- •Аналогично строится процесс метода Гаусса для системы из N уравнений. Обобщим формулы «штриховых»
- •4. Итерационный метод Гаусса—Зейделя
- •Зададим начальные (нулевые) приближения для неизвестных:
- •Лекция 4. Численное интегрирование.
- •1. Метод прямоугольников.
- •где исходный отрезок [a, b] с помощью точек
- •есть площадь так называемой криволинейной трапеции,
- •Рис. 13 — Блок-схема метода прямоугольников
- •Ошибка формулы прямоугольников:
- •Рис. 14 — Иллюстрация метода прямоугольников на примере четверти круга
- •Программа на языке Паскаль, реализующую метод прямоугольников на этом примере:
- •2. Метод трапеций
- •Значит интеграл по всему отрезку [a, b]:
- •Ошибка метода трапеций:
- •Рис. 16 — Блок-схема алгоритма метода трапеций
- •3. Метод Симпсона
- •Аналогично,
- •Ошибка её:
- •Лекция 5. Численное решение дифференциальных уравнений
- •1. Постановка задачи
- •Решение дифференциальных уравнений ищется не в виде аналитической функции, а в виде набора
- •2. Метод Эйлера
- •В методе Эйлера движение в каждой следующей точке происходит по касательной к кривой,
- •3.Метод Рунге-Кутты
- •Первый
- •Наибольшее распространение в вычислительной практике нашел метод Рунге—Кутты четвертого порядка:
- •Схема
- •Прямая АЕ, проходящая через точку
- •Рис. 17 – Геометрическая интерпретация метода Рунге-Кутты
- •Соотношения модифицированного метода Эйлера можно записать в форме схемы Рунге—Кутты:
- •Контрольные вопросы
- •Литература
Рис. 17 – Геометрическая интерпретация метода Рунге-Кутты
Соотношения модифицированного метода Эйлера можно записать в форме схемы Рунге—Кутты:
ˆ |
ˆ |
|
|
|
|
ˆ |
|
|
|
i 0,n 1, |
|
y0 , |
|
||||||
yi 1 |
yi hi 1K2,i , |
|
y0 |
|
|||||
|
ˆ |
|
|
hi 1 |
ˆ |
|
hi 1 |
|
|
K1,i f xi , yi , |
K2,i f xi |
|
, yi |
|
|
K1,i . |
|||
2 |
2 |
||||||||
Эта схема второго порядка. |
|
|
|
|
|
Коэффициенты семейства методов Рунге— Кутты (1),(2) удобно записывать в виде табл. 1, табл. 2 соответствует классическому методу Рунге —Кутты четвертого порядка (3), а в табл. 3 приведены коэффициенты другого метода четвертого порядка (правило
). 3 8
0
с2 a2,1
с3 a3,1 a3,2
… … … |
… … |
|||
сs |
as,1 as,2 |
… as,s 1 |
||
yi 1 |
b |
b2 |
… bs |
|
ˆ |
1 |
~ |
~ |
|
~ |
||||
~ |
||||
yi 1 |
b1 |
b2 |
… bs |
0 |
|
|
|
1/2 |
1/2 |
|
|
1/2 |
0 |
1/2 |
|
1 |
0 |
0 |
1 |
ˆ |
1/6 |
2/6 |
2/6 1/6 |
yi 1 |
|
|
|
Табл. 1 |
Табл. 2 |
0 |
|
|
|
1/3 |
1/3 |
|
|
2/3 |
- |
1 |
|
|
1/3 |
|
|
1 |
1 |
-1 |
1 |
ˆ |
1/8 |
3/8 |
3/8 1/8 |
yi 1 |
Табл. 3
Таблица 4 соответствует методу Рунге— Кутты второго порядка,
0 |
|
1/2 |
1/2 |
ˆ |
0 1 |
yi 1 |
Табл. 4
Контрольные вопросы
1.Метод Гаусса решения СЛАУ. Условия применимости метода.
2.Правило Крамера решения СЛАУ.
3.Вычисление определителей и обращение матриц.
4.Метод простой итерации решения СЛАУ. Метод Зейделя.
5.Метод Ньютона и его модификации.
6.Метод простой итерации решения нелинейных уравнений.
7.Метод хорд и половинного деления.
8.Основные методы численного решения дифференциальных уравнений.
9.Недостаток метода Эйлера решения дифференциальных уравнений.
10.Ошибки методов трапеций и Симпсона.
Литература
1.Бахвалов Н.С., Лапин А.В., Чижонков Е.В. Численные методы в задачах и упражнениях. – М., 2000.
2.Воробьёва Г. Н., Данилова А.Н. Практикум по численным методам. - М.: Наука, 1979.
3.Бахвалов Н. С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. - М.: Наука, 1987.
4.Волков Е.А. Численные методы. - М.: Наука, 1987.
5.Дьяченко В.Ф. Основные понятия вычислительной математики. - М.: Наука, 1983.
6.Крылов В.И., Бобков В.В., Монастырский П.И. Вычислительные методы. В 2-х т. - М.: Наука, 1976-1977
7.Самарский А.А. Введение в численные методы. - М.: Наука, 1987.
8.Турчак Л.И. Основы численных методов. - М.: Наука, 1987.