Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

PDF / Лекции

.pdf
Скачиваний:
47
Добавлен:
07.01.2014
Размер:
1.07 Mб
Скачать

(С) ИиКМ РХТУ март 2004г. Калинкин Владимир Николаевич

2

l

 

(x) = y

 

(x x1 )(x x2 )

 

=1

(x 0)(x 1)

=

1

x2

1

x

 

0

0 (x

0

x

)(x

0

x

2

)

(1 0)(1 1)

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l1 (x) = y1

l2 (x) = y2

L(x)=x2

 

(x x0 )(x x2 )

 

 

 

= 0

(x +1)(x 1)

 

= 0

 

 

 

 

(x

 

x

0

)(x

x

2

)

 

 

(0 +1)(0 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x x0 )(x x1 )

 

 

=1

(x +1)(x 0)

=

1

x2

+

1

x

 

(x

2

x

0

)(x

2

x

 

)

(1 +1)(1 0)

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аппроксимация.

Пусть в результате эксперимента для заданных значений независимой переменной x – x0, x1, x2 ,…..,xn были определены значения зависимой переменной y- y0, y1, y2 ,…..,yn. Требуется отыскать аналитическую зависимость между x и y в виде некоторой функции f(x), которая наилучшим образом (в смысле какого либо критерия рассогласования)

описывала эти экспериментальные данные. Чаще используют квадратичный критерий

n

рассогласования R = ( yiэ yiр )2 . Функцию f(x) определим как линейную, т.е.

i =0

y=f(x)=a0+a1*x. Коэффициенты a0 и a1 будем называть параметрами. Надо найти такие значения параметров, при которых квадратичный критерий рассогласования

n

R = ( yiэ (a0 + a1 xi ))2 имел бы минимальное значение. Критерий рассогласования R

i=0

является функцией двух переменных a0 и a1 т.е. R=R(a0,a1). Необходимое условие экстремума функции нескольких переменных – это равенство 0 частных производных по параметрам.

R

э

 

R

э

 

 

n

 

 

n

 

 

= 2 ( yi

(a0 + a1 xi )) (1) = 0 и

 

= 2 ( yi (a0 + a1 xi )) (xi ) = 0

a

0

a

 

i =0

1

i =0

Получаем систему уравнений для определения параметров.

n

 

 

( yiэ (a0 + a1xi ) ) = 0

i =0

 

 

n

 

 

( yiэ (a0 + a1xi )) xi = 0

i =0

 

 

n

n

n

a0 + a1xi =

yiэ

i =0

i =0

i =0

n

n

n

a0 x a1 xiэ = yiэ

i =0

i =0

i =0

n

n

 

n

 

 

 

yiэ a0 a1 xi = 0

 

i =0

i =0

 

i =0

 

 

 

n

n

 

 

n

 

 

yiэxi a0 xi a1 xi2 = 0

i =0

i =0

 

 

i =0

 

 

=

 

 

a

 

b

 

N

xi

 

 

 

1

a0

yi

n

n

 

 

 

n

 

in=0

in=0 2

a

=

ni =0

 

xi

xi

 

1

 

yi xi

i =0

i =0

 

 

 

i =0

 

(С) ИиКМ РХТУ март 2004г. Калинкин Владимир Николаевич

3

 

 

 

 

1

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

= = Т =

= Т

=

1

x2

= → → →

= 1

 

N =Ф Ф а

b =Ф y ,

где Ф =

 

x3

 

N a

= b a = N b

 

1

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

x

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

x

 

y(эксп)

 

y( расч.инт)

y( расч.аппр)

 

 

 

 

 

i

 

 

i

 

 

i

i

 

 

 

0

 

1

 

 

1,5

 

 

1,5

1,214

 

 

 

1

 

2

 

 

1,5

 

 

1,5

2,129

 

 

 

2

 

3

 

 

3,5

 

 

3,5

3,043

 

 

 

3

 

4

 

 

3,5

 

 

3,5

3,957

 

 

 

4

 

5

 

 

5,5

 

 

5,5

4,871

 

 

 

5

 

6

 

 

5,5

 

 

5,5

5,786

 

6,5

6

5,5

5

4,5

4

3,5

3

2,5

2

1,5

1

0,5

0

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5

 

=

 

Ф

1

 

1

1

 

2

1

 

3

1

 

4

1

 

5

1

 

6

= T

Ф

1

 

1

1

1

 

1

1

1

 

2

3

4

 

5

6

=

 

 

= 1

N

 

b

N

a

6

 

21

21

0,867

 

-0,2

0,3

21

 

91

89,5

-0,2

 

0,057

0,914

(С) ИиКМ РХТУ сентябрь 2003г. Калинкин Владимир Николаевич

1

Численное интегрирование.

Пусть на отрезке [a; b] определена непрерывная функция f(x). Требуется определить

значение определенного интервала I = b f (x)dx = F(b)-F(a), которое числено равно площади

a

S, фигуры ограниченной графиком функции f(x) и осью x, на заданном отрезке [a; b]. Для приближенного вычисления S, разобьем наш отрезок [a; b] на n равных элементарных отрезков точками x0=a, x1= a+h, x2=x1+h,…xi=xi-1+y,….,xn=b, где h =(b-a)/n – шаг разбиения.

Значение функции f(x) в точках разбиения xi обозначим через yi

 

 

 

 

 

yi

 

yn

 

 

 

y1

yi-1

yi+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y0

 

 

h

 

h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0

x1

xi-1

xi

xi+1

xn

a

 

 

 

 

 

b

Тогда площадь S можно вычислить как сумму элементарных площадей определенных для соответствующих элементарных отрезков длиной h.

S = s0+s1+s2+…si+…..+sn-1

Произвольную si площадь можно вычислить, как определенный интеграл на отрезке [xi;xi+1]

xi +1

от более простой функции φi(x), которой заменим реальную функцию f(x), si = ϕi (x)dx

xi

Вид функции φi(x) будут определять и название метода.

Методы прямоугольников.

Значение функции φi(x) на отрезке [xi;xi+1]. принимается константой Метод прямоугольников вперед

φi(x) = yi

значения элементарной si и общей S площади можно вычислить как:

xi+1

 

n 1

n 1

si = yidx = yi x xi

 

= yi (xi +1 xi ) = yi h; S = si = h yi

 

xi

+1

i =0

i =0

xi

 

Метод прямоугольников назад

φi(x) = yi+1

значения элементарной si и общей площади можно вычислить как:

xi +1

 

 

n1

n1

si = yi+1dx = yi+1 x

 

xi

= yi+1 (xi xi1 ) = yi+1 h; S = si = h yi+1

 

 

xi 1

 

xi

 

 

i=0

i=0

Метод прямоугольников в среднем.

Определим точку xi + 12 = xi + 12 h и значение функции yi + 12 в середине элементарного отрезка

[xi;xi+1].

Принимаем φi(x) = yi + 1

.

 

2

Тогда значения элементарной si и общей S площади можно вычислить как:

(С) ИиКМ РХТУ сентябрь 2003г. Калинкин Владимир Николаевич

2

xi+1

x xi

 

n 1

n 1

 

si = yi + 12dx = yi + 12

 

= yi + 12 (xi +1 xi ) = yi + 12 h; S = si = h yi + 12

 

xi

 

xi

+1

i =0

i =0

 

 

 

 

 

Метод трапеций

Фукцию φi(x) будем определять как линейную на отрезке [xi;xi+1], т.е. ее график должен

проходить через две смежные точки (xi,yi) и (xi+1,yi+1). Функцию φi(x) можно будет представить как интерполяционный многочлен Ньютона, построенный по двум точкам xi и

xi+1, φi(x) = Li(x) =

yi

( x xi +1 )

+ yi +1

( x xi )

( xi xi +1 )

( xi +1 xi )

 

 

 

Тогда значения элементарной si и общей S площади можно вычислить как:

 

 

 

xi +1

 

 

xi +1

 

 

 

(x

xi +1 )

 

xi +1

 

 

(x xi )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

si = Li (x)dx =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

yi

 

 

 

 

 

dx

+

yi +1

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x

x

)

(x

x )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

x

i

 

 

 

 

 

i

 

i +1

 

 

 

 

 

x

i

 

 

i +1

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сделаем замену переменной

 

t =

 

x

xi

x=xi

 

ti=0

x=xi+1

ti+1 = 1

 

 

 

 

 

 

 

h

 

 

 

 

 

 

 

x = xi + ht

 

 

dx=hdt

 

 

(x-xi) = ht

 

(x-xi+1) = ht h = h(t 1)

 

 

 

 

 

 

 

1

 

h(t 1)

1

 

 

 

 

 

ht

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

t2

 

1

t2

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

yi

hdt + yi +1

 

hdt = h(yi (1 t)dt + yi +1tdt) = h(yi (t

 

 

) + yi +1

 

) =

 

(h)

(h)

 

0

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

si =

h( y (1

1

) + y

 

 

1

)

= h

yi + yi +1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

2

 

 

i +1 2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а общая площадь на отрезке [a;b] будет равна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 1

n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S = si =

h ( yi + yi +1 ) = h

( y0 + y1 + y1 + y2 + y2 +... + yn 1 + yn 1 + yn ) =

 

 

 

 

 

 

i =0

i =0 2

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y0 + y n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( y0 + 2 y1 + 2 y2

+ 2 y3

+.... + 2 yn1

+ yn ) = h

(

+ yi )

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Метод Симпсона

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определим точку x

 

 

 

 

= x +

h в середине элементарного отрезка [xi;xi+1]

 

 

и значение

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

+ 12

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

функции в этой течке yi + 1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Функцию φi(x) будем определять как квадратичную на отрезке [xi;xi+1], т.е. ее график должен

проходить через три смежные точки (xi,yi),(xi+1/2,yi+1/2) и (xi+1,yi+1). Функцию φi(x) можно будет представить как интерполяционный многочлен Лагранжа, построенный по трем

точкам xi, xi+1/2 и xi+1.

φi(x) = Li(x) =

y

(x xi +1/ 2 )(x xi +1)

+ y

(x xi )(x xi +1 )

 

+ y

 

(x xi )(x

xi +1/ 2 )

 

 

 

)

 

 

 

)

 

i (x

x

)(x

x

)

i +1/ 2

(x

x )(x

x

i +1 (x

 

x )(x

 

x

 

 

i

i +1/ 2

i

i +1

 

 

i +1/ 2

i i +1/ 2

i +1

 

 

i +1

i i +1

i +1/ 2

 

Тогда значения элементарной si и общей S площади можно вычислить как:

 

xi+1

 

xi+1

 

 

 

si = ϕi (x)dx =

Li (x)dx =

 

xi

 

xi

 

 

 

xi+1

 

(x xi +1/ 2 )(x xi +1)

( yi

 

 

 

 

 

+ yi +1/ 2

(x

x

)(x

x

)

xi

 

i

i +1/ 2

i

i +1

 

 

(x xi )(x xi +1)

 

+ yi +1

(x xi )(x xi +1/ 2 )

 

)dx

(x

x )(x

x

)

(x

x )(x

x

)

i +1/ 2

i i +1/ 2

i +1

 

 

i +1

i i +1

i +1/ 2

 

 

сделаем замену переменной t =

x xi

x=xi ti=0 x=xi+1/2 ti+1/2=1/2 x=xi+1 ti+1 = 1

h

(С) ИиКМ РХТУ сентябрь 2003г. Калинкин Владимир Николаевич

3

x = xi + ht ; dx=hdt ; (x-xi) = ht ; (x-xi+1/2) = ht

 

1 h = h(t 1 ) ; (x-xi+1) = ht h = h(t 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h(t

1

)h(t 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

hth(t

1

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

hth(t 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

si =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

yi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ yi +1 / 2

h

 

 

 

 

h

 

 

 

+ yi +1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

hdt =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

h

)(h)

 

 

 

 

)(

 

 

 

 

 

(h)(

h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

(t

 

 

)(t 1)

)

 

 

 

 

t(t 1)

+ yi +1

t(t

 

 

)

)hdt =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( yi

2

+ yi +1 / 2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

( 2 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4)

 

 

 

 

 

 

 

 

2 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h( yi (2t 2 3t +1) 4 yi +1 / 2 (t 2 t) + yi +1 (2t 2 t))dt =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h ( y

(2

t3

 

3

t 2

 

 

+ t

 

) 4 y

 

 

 

(

t3

 

t 2

 

) + y

 

 

 

 

(2

 

t3

 

 

t

2

 

 

) ) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i +1/ 2

 

 

3

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

i +1

 

 

 

 

3

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h ( y (

2

 

 

3

+1) y

 

 

 

4(

1

1

) + y

 

(

2

 

 

 

1

) ) = h( y

 

 

1

 

+ y

 

 

 

4

+ y

1

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

3 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i +1/ 2

 

 

 

3 2

 

 

 

 

i +1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i 6

 

 

i +1/ 2 6

i +1 6

 

 

s =

h

(y +4y

 

 

 

+y

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

6

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

i+1/ 2

 

 

 

 

 

 

 

i+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S = si =

 

( yi1 + 4 yi1/ 2 + yi )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i=1

 

 

 

 

 

 

 

 

i1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S =

h

( y

0

 

 

+ 4 y

 

 

 

 

 

+ 2 y

 

+ 4 y

3 / 2

 

+ 2 y

2

+... + 2 y

n1

+ 4 y

n1/ 2

 

+ y

n

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1/ 2

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

примеры:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f(x)=1/(1+x2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h=0,2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(h/2)=

 

 

 

 

 

 

 

 

0,1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PRVP

 

 

 

PRNZ

 

 

PRSR

 

 

 

TRAP

 

 

 

SIMPS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

si=h*yi

 

 

si=h*yi+1

 

si=h*yi+1/2

si=h*(yi+yi+1)/2

si=(h/6)*(yi+4yi+1/2+yi+1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

0,2

 

 

 

 

0,192308

 

0,19802

 

 

0,196153846

 

0,197397817

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1/2

 

0,1

 

 

 

0,990099

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

0,2

 

 

 

0,961538

 

0,192308

 

0,172414

 

0,183486

 

0,182360743

 

0,183111073

 

 

 

 

 

 

 

1+1/2

 

0,3

 

 

 

0,917431

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

0,4

 

 

 

0,862069

 

0,172414

 

0,147059

 

 

 

0,16

 

 

 

0,159736308

 

0,159912103

 

 

 

 

 

 

 

2+1/2

 

0,5

 

 

 

 

 

0,8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

0,6

 

 

 

0,735294

 

0,147059

 

0,121951

 

0,134228

 

0,134505022

 

0,134320466

 

 

 

 

 

 

 

3+1/2

 

0,7

 

 

 

0,671141

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

0,8

 

 

 

0,609756

 

0,121951

 

 

 

 

 

0,1

 

 

 

 

 

 

 

0,110497

 

0,11097561

 

0,110656695

 

 

 

 

 

 

 

4+1/2

 

0,9

 

 

 

0,552486

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

0,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S=

 

 

 

0,833732

 

0,733732

0,786231

0,783731528

 

0,785398153

 

(С) ИиКМ РХТУ апрель 2004г. Калинкин Владимир Николаевич

1

Решение уравнения с одним неизвестным

 

Дано уравнение в виде f(x)=0, где f(x) некоторая функция переменной x. Число x* называется

корнем или решением данного уравнения, если при подстановке x= x*

в уравнение последнее

обращается в тождество. f(x*)=0. Число x* называют также нулем функции y=f(x).

В общем случае уравнение может иметь одно или несколько корней, как действительных, так и комплексных. Нахождение действительных корней с заданной точностью можно разбить на два этапа. Сначала корни отделяются, т.е. определяются отрезки, которые содержат по оному корню уравнения; а затем вычисляются с требуемой точностью ε. Отделение корней уравнения f(x)=0, в области определения, непрерывной функции f(x), можно осуществлять несколькими способами: табулированием - составлением таблицы из равноотстоящих значений независимой переменной и соответствующих значений функции и определение отрезков в которых смежные значения функции имеют различные знаки и следовательно содержат нулевые значения функции. строим график функции на и определяем минимальные отрезки, включающие точки пересечения графика функции с осью 0x.

уравнение f(x) заменяем равносильным ψ(x)= φ(x) строят графики функций ψ(x) и φ(x). Определяют минимальный отрезок содержащий точку пересечения графиков функций.

пример f(x) = 3*sin(2*x)-1.5*x-1=0 ψ(x)=3*sin(2*x) φ(x)=1.5*x+1

x

f(x)

ψ(x)

φ(x)

-2,000

4,270

2,270

-2,000

-1,600

1,575

0,175

-1,400

-1,200

-1,226

-2,026

-0,800

-0,800

-2,799

-2,999

-0,200

-0,400

-2,552

-2,152

0,400

0,000

-1,000

0,000

1,000

0,400

0,552

2,152

1,600

0,800

0,799

2,999

2,200

1,200

-0,774

2,026

2,800

1,600

-3,575

-0,175

3,400

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

3

5

 

 

 

 

 

 

 

2

4

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

-3

-2

-1

0

01

 

1

2

 

 

 

 

-1

0

 

 

ψ(x)

 

-3

-2

-1

-2

-1

0

1

φ(x)

2

 

 

 

-3

-2

 

f(x)

 

 

 

 

-4

-3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-4

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

0

 

 

-3

-2

-1

-1 0

1

2

 

 

 

 

 

ψ(x)

 

 

 

-2

 

φ(x)

 

 

 

-3

 

 

 

 

 

-4

 

 

Уточнение корня на отрезке [a,b], в котором локализован только один корень, осуществляется итерационными методами, в которых последовательно, шаг за шагом, производится уточнение начального приближения корня. Итерацией называется совокупность вычислительных операций, приводящих к новому приближенному значению корня. Если каждое последующее значение находится все ближе к точному значению, говорят, что метод сходится. В противном случае метод расходится. Поэтому возникает необходимость исследования сходимости итерационного метода. Общая итерационная формула вычисления очередного приближения имеет следующий вид xk+1=xk+h, где k=0,1,2,3,… За начальное приближение x0 принимают значение внутри заданного отрезка. Все методы уточнения корней различаются способами вычисления поправки h.

(С) ИиКМ РХТУ апрель 2004г. Калинкин Владимир Николаевич

2

Метод половинного деления.

В этом методе на каждой итерации отрезок содержащий корень делится пополам и за новый отрезок для уточнения принимается одна из половин.

Алгоритм.

1.Задаем функцию f(x), отрезок [a,b] и точность ε.

2.За начальное приближение принимаем левую границу отрезка [a,b] т.е. x =a.

3.Вычисляем поправку h=(b-a)/2 и новое приближение x=x+h

4.Если f(x) = 0, то x – корень.

5.В противном случае, определяем новый отрезок [a,b]. Проверяем, если f(a)*f(x)>0, то a=x и b=b, иначе (f(a)*f(x)<0), то a=a и b=x. Далее проверяем условие окончания, если | h | 2ε, то за ответ принимаем значение равное x=(a+b)/2 и переходим на пункт 6, иначе переходим на пункт 2.

6.выводим x и f(x).

Блок-схема

начало

a, b, ε || f(x).

x := a

f(a)*f(x)>0

h := (b-a)/2 x := x+h

b := x

 

 

 

a=x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f(x) = 0

| h |

x := (b+a)/2

 

 

 

 

x, f(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

конец

Решим предыдущий пример при a= -1.6

b= -1.2 и ε= 0.01 т.е. 2ε = 0.02

 

 

 

 

 

 

 

 

a

b

h

x

f(a)

f(x)

 

-1,6

-1,2

0,2

-1,4

1,575

 

0,095

 

-1,4

-1,2

0,1

-1,3

0,095

 

-0,597

 

-1,4

-1,3

0,05

-1,35

0,095

 

-0,257

 

-1,4

-1,35

0,025

-1,375

0,095

 

-0,082

 

-1,4

-1,375

0,0125

-1,3875

0,095

 

0,006

 

-1,3875

-1,375

 

-1,38125

 

 

-0,038

 

x=-1,38125±0.01

f(x) = -0,038 (невязка)

 

(С) ИиКМ РХТУ апрель 2004г. Калинкин Владимир Николаевич

3

Метод Ньютона или касательных.

В этом методе, на каждой итерации, за новое приближение к корню xk+1 принимается точка пересечения касательной к графику, построенной в точке f(xk) с осью x. За начальное приближение к корню x0 принимаем одну из границ отрезка [a; b], содержащего один корень. Если новое приближение выходит за границы интервала, то надо выбрать новое начальное приближение и если это не помогает надо попробовать уменьшить отрезок поиска в два раза и повторить поиск методом Ньютона.

Графическая иллюстрация.

40

 

 

 

 

 

 

 

30

 

 

 

 

f(x0)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

20

 

 

 

 

 

 

 

10

 

f(x2)

f(x1)

 

 

 

 

 

 

β

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

0

1

2

3

4

5

6

7

-10

 

x2

x1

 

x0

 

 

-20

 

 

 

 

 

 

 

-30

 

 

 

 

 

 

 

-40

 

 

 

 

 

 

 

Вычислим значение приближения x1.

 

 

 

 

Обозначим h0 = x0-x1 и x1 = x0-h0, тогда тангенс угла β (касательной в точке f(x0) и осью x) равен

tg(β) =

f (x0 )

= f '(x ) и h =

f (x0 )

и окончательно x1 = x0 – h0 = x0 -

f (x0 )

 

 

 

 

 

h

0

0

f '(x0 )

f '(x0 )

 

 

 

аналогично рассчитываются последующие приближения к корню x2, x3, x4, ……..

алгоритм

1.Задаем функцию f(x) отрезок [a;b] и точность ε. За начальное приближение x принимаем одну из границ заданного отрезка [a,b] x=b.

2.Вычисляем приращение значение шага h, как h = ff '((xx)) и новое приближение, как x = x-h.

3.Проверяем если a x b , то x = a и повторяем с пункта 2.

4.Иначе проверяем условие окончания если | h | ≤ ε, то выводим последнее значение x и f(x). Иначе перейдем на пункт 2

(С) ИиКМ РХТУ апрель 2004г. Калинкин Владимир Николаевич

4

Блок схема:

начало

x, ε || f(x).

h :=f(x)/f’(x) x := x-h

 

нет

да

 

 

 

нет

да

 

 

 

 

 

ax b

 

 

 

 

 

| h | ε

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задать новое

 

 

 

x, f(x)

 

 

начальное

 

 

 

 

 

 

 

 

 

приближение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

конец

Пример a = -1.6 b = -1.2 ε = 0.01 f(x)=3sin(2x)-1.5x-1 f'(x)=6cos(2x)-1.5 x=a=1.6

x

f(x)

f'(x)

h

(x)

-1,6

1,57512243

-7,48976865

-0,21030322

-1,38969678

-1,389696780,02155069

-7,11071928

-0,00303073

-1,38666605

Ответ: x = 1,38666605 0.01 f(x)=0,0000012

Метод простых итераций.

Пусть задано нелинейное уравнение f(x)=0, отрезок [a;b], который включает корень данного уравнения, т.е. f(a)*f(b)<0 и точность ε, с которой требуется уточнить значения корня. Преобразуем исходное уравнение к эквивалентному виду x=ϕ(x). Последовательность x0, x1, x2, ……,xi,… называть итерационной, где xi+1 выражается через элемент xi по рекуррентной формуле xi = ϕ (xi-1), т.е. x1 = ϕ (x0), x2 = ϕ (x1), x3 = ϕ (x2),…… за x0 принимают любое число на заданном отрезке [a;b]. Говорят, что итерационный метод сходится, если последовательность {xi} имеет

предел при i → ∞ . Для определения условия сходимости определим xi = xi+1 - xi = ϕ(xi)- ϕ(xi-1) и применим теорему о среднем, тогда xi+1 - xi = ϕ’(ξ)*(xi - xi-1). Необходимо чтобы модуль разности

|xi+1 - xi| был меньше чем |xi - xi-1|, а это справедливо только при |ϕ’(ξ)| < 1, т.е. максимальная производная на заданном отрезке должна быть меньше единицы. Так для решения квадратного

уравнения x2=a можно положить ϕ(x)=a/x или ϕ(x)=(1/2)(x+a/x) и соответствующие итерационные формулы будут иметь вид xi+1=a/xi и xi+1=(1/2)(xi +a/xi). В первом случаи метод не сходится, а во втором сходится.

(С) ИиКМ РХТУ апрель 2004г. Калинкин Владимир Николаевич

5

Общий подход для получения итерационной формулы f(x)=0; помножим обе части

уравнения на множитель β, получим βf(x)=0 и прибавим к обеим частям по x. Окончательная

итерационная формула будет иметь вид x= x+βf(x). Функция ϕ(x)= x+βf(x);

ϕ’(x)=1+βf’(x);

|1+βf’(x)|<1;

-1 < 1+βf’(x) < 1; -2 < βf’(x) < 0. Мы должны выбрать максимальную по модулю производную на

заданном отрезке. Тогда, если |f'(b)|>|f'(a)|

β = -2/f’(b),

иначе β = -2/ f”(a)

 

 

 

 

 

 

 

 

начало

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a,b,ε || f(x),f’(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

|f’(b)|>|f’(a)|

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

β := -2/f’(a)

 

β := -2/f’(b)

 

x:=a

 

 

 

 

x:=b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h:= βf(x) x := x+h

ax b

Задать новое

начальное | h | ε приближение

x, f(x)

конец

Пример:

 

 

 

 

f(x) = 3sin(2x)-1.5x-1

f'(x)=6cos(2x)-1.5

ε=0.01 a = -1,6

b = -1,2

f'(a) = -7,489

f'(b) = -5,924

λ = 0,267 0.2

 

xi+1 = xi +λ(3sin(2x)-1.5x-1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

xi

f(xi)

h

ϕ(xi)

0-1,6 1,57512243 0,315024486-1,28497551

1-1,28497551-0,69557695 -0,13911539 -1,4240909

2-1,4240909 0,2684794250,053695885-1,37039502

3-1,37039502-0,11487989 -0,02297598 -1,393371

4-1,393371 0,0477055050,009541101-1,3838299 -1,3838299 -0,02009317

Ответ: x = -1,384±0.01

f(x) = -0,020

Соседние файлы в папке PDF