- •ВВЕДЕНИЕ
- •ПРИБЛИЖЕННОЕ РЕШЕНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ АЛГЕБРАИЧЕСКИХ УРАВНЕНИЙ
- •Постановка задачи
- •Приближенные (итерационные) методы решения НАУ
- •Метод деления отрезка пополам (дихотомии).
- •Метод простой итерации
- •Метод релаксации
- •Метод Ньютона (касательных)
- •Метод хорд
- •МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ СИСТЕМ ЛИНЕЙНЫХ АЛГЕБРАИЧЕСКИХ УРАВНЕНИЙ
- •Постановка задачи
- •Прямые методы решения СЛАУ
- •Метод Крамера
- •Метод обратной матрицы
- •Метод Гаусса
- •Метод прогонки
- •Итерационные методы решения линейных алгебраических систем
- •Метод простой итерации
- •Метод Якоби
- •Метод Гаусса-Зейделя
- •АППРОКСИМАЦИЯ ФУНКЦИЙ
- •Постановка задачи интерполяции
- •Локальная интерполяция
- •Кусочно-постоянная интерполяция
- •Кусочно-линейная интерполяция
- •Кубический интерполяционный сплайн
- •Глобальная интерполяция
- •Полином Лагранжа
- •Подбор эмпирических формул
- •Метод наименьших квадратов
- •ЧИСЛЕННОЕ ИНТЕГРИРОВАНИЕ
- •Постановка задачи
- •Формулы прямоугольников
- •Формула трапеций
- •Формула Симпсона
- •ЧИСЛЕННОЕ РЕШЕНИЕ ОБЫКНОВЕННЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ
- •Постановка задачи
- •Приближенные методы решения задачи Коши для ОДУ первого порядка
- •Метод Эйлера
- •Модифицированный метод Эйлера
- •Методы Рунге-Кутты
- •Численные методы решения систем ОДУ первого порядка
- •МЕТОД КОНЕЧНЫХ РАЗНОСТЕЙ РЕШЕНИЯ КРАЕВЫХ ЗАДАЧ ДЛЯ ОДУ
- •Постановка задачи
- •Аппроксимация производных
- •ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ И РЕКОМЕНДАЦИИ К ЭКЗАМЕНУ
побочных диагоналях. Для решения систем с ленточными матрицами коэффициентов вместо метода Гаусса можно использовать более эффективные методы. Для случая трехдиагональных матриц разработан экономичный метод прогонки.
Метод прогонки
Рассмотрим метод прогонки для СЛАУ вида:
c x |
b x |
2 |
|
f |
1 |
|
|
|
|
|
1 1 |
1 |
|
|
|
|
|
||
ai xi 1 |
ci xi |
bi xi 1 |
fi , |
i 2,...,n 1 |
(2.6) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
an xn 1 cn xn fn |
|
|
|
Решение данной системы ищем в виде:
xi 1 i 1 xi i 1 , |
i 2,3,...n |
(2.7) |
Здесь i, i – неизвестные прогоночные коэффициенты. Как и метод Гаусса, метод прогонки состоит из двух этапов. На первом (прямом) этапе определяются прогоночные коэффициенты, на втором (обратном) вычисляется вектор решения.
Прямой этап. Сравнивая соотношение (2.7) при i=2:
x1 1x2 |
|
1 |
и |
следствие первого |
уравнения системы (2.6): |
|||||||||
x |
b1 x |
2 |
|
f1 |
|
, |
получим формулы |
для первых прогоночных |
||||||
|
||||||||||||||
1 |
c1 |
|
c1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
коэффициентов: 1 b1 , |
1 |
f1 |
. |
|
||||||||||
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c1 |
|
c1 |
|
||
|
Подставляя (2.7) во второе уравнение (2.6), получим: |
|||||||||||||
|
ai i 1 xi i 1 ci xi |
bi xi 1 fi . |
|
|||||||||||
Или, после преобразования, |
|
|||||||||||||
|
ai i 1 ci |
xi ai i 1 bi xi 1 fi , |
|
|||||||||||
откуда |
|
|
|
bi |
|
|
|
fi ai i 1 |
|
|
||||
|
xi |
|
|
|
|
|
xi 1 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ci ai i 1 |
|
|||||
|
|
|
ci ai i 1 |
|
Сравнивая с (2.7), получим
31
i |
|
bi |
, i |
|
fi ai i 1 |
. |
ci ai i 1 |
|
|||||
|
|
|
|
ci ai i 1 |
Таким образом, можно найти все i , i ,i 1,...,n 1 . Обратный этап. Подставляя последнее прогоночное
соотношение (2.7) в последнее уравнение (2.6), получим: |
|||
an n 1 xn n 1 cn xn fn |
|
||
xn |
fn an n 1 |
|
. |
cn an n 1 |
|
||
|
|
Затем, последовательно применяя (2.7), находим:
xn 1 n 1 xn n 1
xn 2 n 2 xn 1 n 2 .
Таким образом, алгоритм метода прогонки можно
представить в виде: |
|
b1 |
|
|
|
|
f1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
1. |
Находим 1 |
|
|
, |
1 |
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
c1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
c1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
2. |
Для i 1,..., n 1 |
|
вычисляем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
i |
bi |
|
, |
|
i |
fi ai i 1 |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
ci ai i 1 |
|
|
|
ci ai i 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
3. |
Находим xn |
|
|
fn |
an n 1 |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
cn |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
an n 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
4. |
Для i n 1,...,1 |
находим: xi i xi 1 i . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
Теорема. Пусть коэффициенты ai , bi системы уравнений |
|||||||||||||||||||||||||
при i 2,3,..., n 1 отличны от нуля и пусть |
|
ci |
|
|
|
bi |
|
|
|
ai |
|
при |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
i 1,2,..., n . Тогда прогонка корректна и устойчива. |
|
|
|
|
|
|
При выполнении этих условий знаменатели в алгоритме метода прогонки не обращаются в нуль и, кроме того, погрешность вычислений, внесенная на каком либо шаге расчетов, не будет возрастать при переходе к следующим шагам.
32