metodichka_chm_chast_1
.pdf
|
|
|
|
|
|
|
|
41 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Одна ко |
б ыва е т, |
ч то |
фи зи ч е ски й |
смысл |
за да ч и |
и ли |
и ные |
со о б р а же ни я |
|||||||||
по дска зыва ю т, ч то о це нку по гр е шно сти до ста то ч но |
пр о и зво ди тьто лько |
по |
о дно й |
||||||||||||||
и з ко мпо не нт |
р е ше ни я. |
В спо мни в, |
|
ч то |
по гр е шно сть |
р е ше ни я |
си сте мы |
||||||||||
ди ффе р е нци а льных ур а вне ни й |
являе тся ве кто р о м |
р а зме р но сти |
M, |
мо жно |
|||||||||||||
пр е дста ви ть си туа ци и , |
ко гда о це нка |
по гр е шно сти |
пр о во ди тся по |
не ко то р о й |
|||||||||||||
ве кто р но й но р ме |
по гр е шно сти . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Оце нка ло ка льно й по гр е шно сти |
|
пр и |
р е ше ни и си сте мы о б ыкно ве нных |
|||||||||||||
ди ффе р е нци а льных ур а вне ни й та кж е |
пр о во ди тся ч а щ е |
все го |
по ко мпо не нтно , т.е . |
||||||||||||||
те м и ли и ным ме то до м о це нки |
ло ка льно й по гр е шно сти (ме то до м Рунге , |
и ли на |
|||||||||||||||
о сно ве |
ко мб и на ци й фо р мулр а зных по р ядко в то ч но сти , и ли вло же нным ме то до м) |
||||||||||||||||
выч и сляю тся гла вные |
ч а сти |
по гр е шно сте й |
i ( |
0 |
+ |
) − yi |
длhяy всеx |
х ко мпо не нт |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
р е ше ни я ((i =1,2,...,M ). За те м о пр е де ляе тся на и б о льша я и з по гр е шно сте й, ко то р а я
и пр и ни ма е тся за о це нку по гр е шно сти |
си сте |
мы. Одна ко |
за |
ло ка льную |
по гр е шно сть р е ше ни я си сте мы ур а вне ни й |
мо жно |
пр и нять и |
и ные |
о б ъе кты – |
ло ка льную по гр е шно стьне ко то р о й фи кси р о ва нно й ко мпо не нтыр е ше ни я, ср е дне е а р и фме ти ч е ско е по гр е шно сте й о тде льных ко мпо не нти т.п.
За ме ти м, ч то в те ста х За да ни й все гда о со б о о го ва р и ва е тся, ч то пр и ни ма е тся за о це нку по гр е шно сти ч и сле нно го и нте гр и р о ва ни я си сте мыур а вне ни й.
5. Авто м а т и ческ и й вы б о р ш а га |
и нт егри ро ва ни я за да чи К о ш и |
|||||
И нтуи ти вно по нятно , ч то пе р е ме нных |
ша г и нте гр и р о ва ни я |
по зво ляе т |
||||
уч и тыва ть о со б е нно сть по ве де ни я р е ше ни я и |
ми ни ми зи р о ва ть выч и сли те льные |
|||||
за тр а ты пр и со хр а не ни и |
тр е б уе мо й то ч но сти |
ч и сле нно го |
р е ше ни я. |
М е то да ми |
||
ва р и а ци о нно го |
выч и сле ни я по ка за но , ч то |
пр и за да нно м |
ур о вне |
гло б а льно й |
||
по гр е шно сти |
р е ше ни я |
выч и сли те льные |
за тр а ты б удут |
ми ни ма льны, е сли |
||
ло ка льна я по гр е шно сть на ка ждо м ша ге б уде т по сто янна . |
Э то т фа кт являе тся |
|||||
це нтр а льно й и де е й а лго р и тмо в а вто ма ти ч е ско го выб о р а ша га . |
|
|||||
За ме ч а ни е . По гр е шно стьо кр угле ни я в на сто ящ е м ме то де не |
уч и тыва е тся. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
42 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5.1. М ет о д удво ени я и |
делени я ш а га п о п о ла м |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
Пусть для по луч е ни я пр и б ли ж е нно го |
р е ше ни я за да ч и Ко ши (1),(2) выб р а н |
||||||||||||||||||||||||||||||
не ко то р ый |
ме то д |
ти па |
Рунге -Кутта |
и и ме е тся в р а спо р яже ни и спо со б о це нки |
||||||||||||||||||||||||||||
ло ка льно й |
по гр е шно сти |
|
выб р а нно го |
ме то да . Ка к и |
р а не е , о б о зна ч и м ч е р е з ε n+1 |
|||||||||||||||||||||||||||
ло ка льную |
|
по гр е шно сть |
ме то да |
|
|
в |
то ч ке |
xn + h , |
а пр и б ли же нно е |
зна ч е ни е , |
||||||||||||||||||||||
выч и сле нно е |
|
с |
ша го м |
|
h |
|
– |
ynh+1 . |
Пусть |
на и б о льша я до пусти ма я |
ло ка льна я |
|||||||||||||||||||||
по гр е шно стьша га и нте гр и р о ва ни я р а вна ε > 0 . То гда е сли |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
ε n+1 |
|
|
> ε , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(139) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
то |
пр и б ли ж е нно е |
зна ч е ни е |
|
ynh+1 сч и та е тся не удо вле тво р и те льным по |
то ч но сти и |
|||||||||||||||||||||||||||
выб и р а е тся но во е |
зна ч е ни е |
|
ша га |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
h(1) |
= h |
2 |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(140) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С |
эти м но вым ша го м по |
то й ж е фо р муле |
Рунге -Кутта выч и сляе тся но во е |
||||||||||||||||||||||||||||
зна ч е ни е |
|
|
ynh+(1)1 |
в но во й то ч ке xn |
+ h(1) . Если |
о це нка ло ка льно й по гр е шно сти ε n+)1(1 на |
||||||||||||||||||||||||||
но во м |
ша ге |
h )(1 о пять |
|
пр е во схо ди т |
за да нную |
на и б о льшую |
до пусти мую |
|||||||||||||||||||||||||
ло ка льную |
по гр е шно сть ε |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ε n+)1(1 |
|
|
|
> ε , |
|
|
|
|
|
|
(141) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
то ша гсно ва де ли тся по по ла м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
h |
)(2= h |
)(1 . |
|
|
|
|
|
|
(142) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
и |
выч и сле ни я |
по вто р яю тся. |
Та к |
пр о и схо ди т до |
те х по р , по ка |
ло ка льна я |
||||||||||||||||||||||||||
по гр е шно стьне |
ста не тме ньше |
и ли р а вна |
ε |
пр и ка ко й-то ве ли ч и не ша га , ко то р ую |
||||||||||||||||||||||||||||
о б о зна ч и м hn : |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
εn+1 |
|
|
≤ ε . |
|
|
|
|
|
|
(143) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
Да льне йше е |
и нте гр и р о ва ни е |
ур а вне ни я |
|
б уде т пр о и зво ди ться |
и з |
то ч ки |
|||||||||||||||||||||||||
|
+1 = |
|
+xnhn |
|
сxnша го м hn+1 , |
|
ко то р ый |
выб и р а е тся |
по |
сле дую щ е му пр а ви лу. |
Если |
|||||||||||||||||||||
ло ка льна я по гр е шно сть ε |
n+1 |
на ша ге |
= |
+1 |
− xh |
удоxвле тво р яе тне р а ве нству |
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n n |
|
n |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ε |
n+1 |
|
|
|
< ε |
, |
|
|
|
|
|
|
(144) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
43 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где k |
– |
ко нста нта, |
то |
|
|
ша г и нте гр и р о ва ни я |
удва и ва е тся |
hn+1 = 2hn . |
Если |
|||||||||||||||||||||
выпо лняе тся не р а ве нство |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
ε |
≤ |
|
ε |
n+1 |
|
≤ ε , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(145) |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
то ша ги нте гр и р о ва ни я не |
ме няе тся, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
hn+1 = hn . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(146) |
|
|
|||||||||
Ко нста нта |
k по ла га е тся р а вно й |
2s , |
где s |
– по р ядо к и спо льзуе мо й о це нки |
||||||||||||||||||||||||||
ло ка льно й по гр е шно сти ме то да . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
Та ки м |
о б р а зо м |
о сущ е ствляе тся |
и зме не ни е |
|
|
ша га |
|
и нте гр и р о ва ни я |
в |
|||||||||||||||||||||
за ви си мо сти о т ха р а кте р а |
|
|
р е ше ни я: та м, |
где |
высо ка |
то ч но сть пр и б ли ж е нно го |
||||||||||||||||||||||||
р е ше ни я, |
ша г во зр а ста е т, |
|
|
а |
|
та м, |
где |
за да нна я |
то ч но сть не |
до сти га е тся, |
ша г |
|||||||||||||||||||
уме ньша е тся. И зло же нный выше а лго р и тм о тр а жа е тли шьо сно вную |
и де ю ме то да |
|||||||||||||||||||||||||||||
удво е ни я и де ле ни я ша га |
|
по по ла м. В |
хо р о ши х пр о гр а ммных р е а ли за ци ях это т |
|||||||||||||||||||||||||||
ме то д |
со де р ж и т мно го |
о со б е нно сте й, |
ко то р ые |
де ла ю т е го |
б о ле е |
на де ж ным и |
||||||||||||||||||||||||
эко но ми ч ным. |
В |
ни же сле дую щ и х за ме ч а ни ях пр и ве де ны не ко то р ые |
и з |
эти х |
||||||||||||||||||||||||||
о со б е нно сте й. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
За ме ч а ни е |
1. |
Для со кр а щ е ни я ч и сла б е спо ле зных пр о ве р о к пр и ме ни мо сти |
ша га |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
и нте гр и р о ва ни я |
|
а лго р и тм мо ди фи ци р уе тся |
сле дую щ и м |
о б р а зо м. |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
Если пр и |
и нте гр и р о ва ни и |
и з то ч ки |
x |
n |
|
в то ч ку |
+1 |
= |
+x h |
шаx |
г |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n n |
n |
|
||
|
|
|
и нте гр и р о ва ни я |
|
уме ньша лся хо тя |
б ы о ди н |
р а з, |
то |
пр и |
выб о р е |
||||||||||||||||||||
|
|
|
сле дую щ е го |
|
|
|
|
зна ч е ни я |
ша га |
и нте гр и р о ва ни я |
hn+1 удво е ни е |
|||||||||||||||||||
|
|
|
пр е дыдущ е го ша га |
не |
пр о и схо ди т, |
да ж е |
е сли |
удо вле тво р яю тся |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
со о тно ше ни я (144). |
И ными |
сло ва ми , |
е сли |
на |
|
да нно м ша ге |
б ыла |
||||||||||||||||||||
|
|
|
не уда ч на я |
по пытка |
пр и ме не ни я ша га |
|
и нте гр и р о ва ни я, |
то |
для |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
сле дую щ е го |
|
ша га не |
до пуска е тся уве ли ч е ни е |
е го |
дли ны. |
|
|
|
|||||||||||||||||||
За ме ч а ни е |
2. |
За |
два |
ша га |
|
|
|
впе р е д |
пр о ве р яе тся |
|
то ч ка |
|
ко нца |
и нте р ва ла |
||||||||||||||||
|
|
|
и нте гр и р о ва ни я |
|
|
с |
те м, |
ч то б ы |
и спр а ви ть пр и |
не о б хо ди мо сти |
||||||||||||||||||||
|
|
|
ве ли ч и ну ша га , |
ч то б ы до сти гнуть ко нца |
о тр е зка |
и нте гр и р о ва ни я |
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
б е з сли шко м р е зки х и зме не ни й в ве ли ч и не |
ша га . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
44 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
За ме ч а ни е |
3. |
По льзо ва те ль до лже н и ме ть во змо жно сть за ка зыва ть вр е мя сч е та |
||||||||||||||||||||||||
|
|
по |
пр о гр а мме . |
Э то |
мо жно |
сде ла ть |
тр е мя |
спо со б а ми : |
и ли |
|||||||||||||||||
|
|
пр о гр а мми ст ста ви т сч е тч и к |
ч и сла |
выч и сле ни й |
пр а во й |
ч а сти |
||||||||||||||||||||
|
|
ур а вне ни я, о гр а ни ч и в ч и сло |
выч и сле ни й пр а во й ч а сти не ко то р ым |
|||||||||||||||||||||||
|
|
па р а ме тр о м, |
и ли |
ста ви т |
о гр а ни ч е ни е |
|
на |
дли ну |
ша га |
|||||||||||||||||
|
|
и нте гр и р о ва ни я, |
и ли |
|
ста ви т о гр а ни ч е ни я |
|
на |
ч и сло |
|
ша го в |
||||||||||||||||
|
|
и нте гр и р о ва ни я. |
Ре а кци я |
пр о гр а ммы |
на |
пр е выше ни е |
|
эти х |
||||||||||||||||||
|
|
па р а ме тр о в |
о го ва р и ва е тся |
с |
за ка зч и ко м |
пр о гр а ммы, |
в |
р о ли |
||||||||||||||||||
|
|
ко то р о го |
в уч е б но м пр о це ссе |
выступа е тпр е по да ва те ль, |
ве дущ и й |
|||||||||||||||||||||
|
|
за няти я. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
За ме ч а ни е |
4. |
Пр и |
выб о р е |
сле дую щ е го |
|
|
ша га |
ч и сло |
удво е ни й дли ныша га |
мо ж е т |
||||||||||||||||
|
|
б ытьо гр а ни ч е но |
не ко то р ым па р а ме тр о м; о б ыч но не |
до пуска ю т5- |
||||||||||||||||||||||
|
|
кр а тно го |
удво е ни я дли ныша га . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
За ме ч а ни е |
5. |
Ч то б ыи зб е ж а тьза ци кли ва ни й пр о гр а ммы, не о б хо ди мо пр о ве р ять, |
||||||||||||||||||||||||
|
|
ч то в усло ви ях ма ши нно й а р и фме ти ки выпо лнятся не р а ве нство |
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
+ |
¹ xxnn, hn |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(147) |
|
|||||||
|
|
т.е . |
ч то |
ве ли ч и на |
hn |
не |
|
|
ме ньше р а ссто яни я |
о т xn |
до со се дне го |
|||||||||||||||
|
|
спр а ва (пр и |
hn > 0 ) и ли |
|
|
сле ва |
(пр и |
hn < 0 ) |
ве щ е стве нно го |
ч и сла , |
||||||||||||||||
|
|
ко то р о е |
пр е дста вле но |
|
на |
и спо льзуе мо й Э В М |
. Для это го |
ша г |
||||||||||||||||||
|
|
и нте гр и р о ва ни я до лже н удо вле тво р ятьусло ви ю |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
h |
|
³ |
{σ , r}, |
max |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(148) |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
где |
σ |
– на и ме ньше е |
по ло жите льно е |
ч и сло , |
пр е дста ви мо е |
на |
||||||||||||||||||
|
|
да нно й Э В М |
, τ @ |
|
|
× |
|
x |
|
, |
machepsmacheps– ма ши нно е |
эпси ло н [7]. |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
Зна ч е ни е , |
б ли зко е |
к |
ма ши нно му |
эпси ло н, |
выч и сляе тся |
|||||||||||||||||||
|
|
по сле дую щ е му пр о сто му а лго р и тму: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
45
|
|
R := 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
п ока |
+ R > 1 ) |
(1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
н ц |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(149) |
|
|
|
R := R |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
кц |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
:= R 2 |
macheps |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
За ме ч а ни е |
6. |
Для то го , ч то б ыи зб е жа ть не пр и ятно сте й, |
о ко то р ых го во р и ло сь в |
||||||||||||
|
|
За ме ч а ни и |
5, мо ж но |
ста ви ть о гр а ни ч е ни я |
на |
ч и сло де ле ни й |
|||||||||
|
|
пе р во на ч а льно го |
ша га |
и нте гр и р о ва ни я. Н |
а пр и ме р , е сли о гр а ни ч и ть |
||||||||||
|
|
ко ли ч е ство |
де ле ни й |
два дца тью , то |
до пуска е тся |
ма кси ма льно е |
|||||||||
|
|
уме ньше ни е ша га в 106 |
р а з. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
За ме ч а ни е |
7. |
В ыб о р |
о пти ма льно го |
са мо го |
пе р во го |
ша га |
и нте гр и р о ва ни я |
– |
|||||||
|
|
тр удна я за да ч а , |
е сли р е ша ть е е |
в по лно м о б ъе ме . Са мый пр о сто й |
|||||||||||
|
|
выхо д – по ло ж ить пе р во на ч а льный ша г р а вным не ко то р о й ч а сти |
|||||||||||||
|
|
о тр е зка |
и нте гр и р о ва ни я, на де ясь на |
то , |
ч то |
ме то д |
удво е ни я |
и |
|||||||
|
|
де ле ни я |
|
ша га |
по по ла м |
до во льно |
|
б ыстр о |
|
выйде т |
на |
||||
|
|
удо вле тво р и те льно е зна ч е ни е дли ныша га . |
|
|
|
|
|
||||||||
5.2. М ет о д вы б о ра м а к си м а льно й для за да нно й т о чно ст и |
дли ны ш а га |
Н а по мни м, ч то ми ни ма льные выч и сли те льные за тр а тыпр и р е ше ни и за да ч и Ко ши (1),(2) ме то да ми ти па Рунге -Кутта и ме ю тме сто то гда , ко гда на все х ша га х и нте гр и р о ва ни я ло ка льна я по гр е шно стьме то да по сто янна и р а вна не ко то р о му ε . Пустьр е ше ни е в то ч ке xn выч и сле но и и де тпр о ве р ка удо вле тво р и те льно сти ша га
h для о пр е де ле ни я сле дую щ е й то ч ки и нте гр и р о ва ни я |
n+1 = n +x h . Сx это й це лью |
|||||||||||
сч и та е тся по гр е шно сть ε n+1 |
(гла вна я ч а стьпо гр е шно сти , см. со о тно ше ни е (84)), с |
|||||||||||
ко то р о й о пр е де ляе тся зна ч е ни е yn+1 в то ч ке xn + h , и ср а вни ва е тся с ε . Если |
||||||||||||
|
( n , |
n ) |
|
xhs+1ψ= |
|
|
n+1 |
|
> ε , |
ε |
(150) |
|
|
|
|
|
|||||||||
то зна ч е ни е |
ша га |
h |
пр и зна е тся не удо вле тво р и те льным и выб и р а е тся но вый ша г |
|||||||||
и нте гр и р о ва ни я hε |
|
|
и з со о тно ше ни я |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
hε = αh , |
(151) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
46 |
|
|
|
|
|
где па р а ме тр |
α |
вве де н |
для то го , ч то б ы гла вна я ч а сть ло ка льно й |
по гр е шно сти |
||||||||||||||||||||||||||
б ыла |
то ч но р а вна |
|
|
ε : |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ψ ( |
n |
, |
|
|
|
|
n |
) |
|
|
|
hxs+1y= ε . |
|
|
|
|
|
(152) |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ε |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
И з со о тно ше ни й (150)- (152) ле гко по луч а е м зна ч е ни е но во го |
ша га hε |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
h |
= s+1 |
|
|
|
ε |
|
|
× h , |
|
|
|
|
|
(153) |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
ε |
|
|
|
|
|
|
|
|
ε n+1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
пр и это м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
α = s+1 |
|
|
|
ε |
|
|
|
|
|
|
|
< 1. |
|
|
|
|
|
(154) |
|||||||||
|
|
|
|
ε n+1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
Н о вым узло м и нте гр и р о ва ни я б уде тявляться узе л |
n+1 = n +x hε . |
x |
|
|||||||||||||||||||||||||||
Если ло ка льна я по гр е шно сть ε n+1 не пр е во схо ди тза да нно го ε |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ε n+1 |
|
|
≤ ε , |
|
|
|
|
|
(155) |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
ша г |
h сч и та е тся |
удо вле тво р и те льным |
и |
в |
ка ч е стве |
сле дую щ е го узла |
||||||||||||||||||||||||
и нте гр и р о ва ни я пр и ни ма е тся узе л n+1 = n +x h , прx и |
это м та кж е |
о пр е де ляе тся ша г |
||||||||||||||||||||||||||||
hε по |
фо р муле |
(153), где |
|
|
α б уде туж е |
б о льше е ди ни цы, т.е . ша г hε |
б уде тб о льше |
|||||||||||||||||||||||
ша га |
h . Да льне йше е |
и нте гр и р о ва ни е |
ур а вне ни я (1) и з то ч ки |
xn+1 |
на ч и на е тся с |
|||||||||||||||||||||||||
пр о ве р ки удо вле тво р и те льно сти ша га |
hε . |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
К о пи са нно му в это м пункте ме то ду выб о р а ша га и нте гр и р о ва ни я в по лно й |
|||||||||||||||||||||||||||||
ме р е |
о тно сятся За ме ч а ни я 2,5,7 и з пр е дыдущ е го |
пункта. |
|
|
||||||||||||||||||||||||||
За ме ч а ни е . |
Пр и пр а кти ч е ско й р е а ли за ци и |
па р а ме тр α за ме няе тся на па р а ме тр |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
α |
= 0,9α . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6. И нди ви дуа льны еза да ни я |
п о чи сленны м м ет ода м |
реш ени я |
|||
|
за да чи К о ш и |
|
|
|
|
|
6.1. О дем о нст ра ци и ра б о т ы п ро гра м м |
|
|
|
|
В о |
вр е мя сда ч и пр е по да ва те лю |
пр о гр а ммы студе нт на |
р яде |
пр и ме р о в, |
|
ко то р ые |
по дго та вли ва е т са мо сто яте льно , до лже н |
по ка за ть, ч то |
е го |
пр о гр а мма |
|
р а б о та е т в со о тве тстви и с за да ни е м. |
Н а пр и ме р , |
е сли за да ч а |
Ко ши |
р е ша е тся |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
47 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ме то до м Рунге -Кутта |
тр е тье го |
по р ядка , |
на до |
по ка за ть, ч то р е а ли зо ва н в са мо м |
|||||||||||||||||||
де ле ме то д |
тр е тье го |
|
по р ядка |
то ч но сти . |
Для |
это го |
до ста то ч но |
выпо лни ть р яд |
|||||||||||||||
те сто вых пр и ме р о в – в за да ч а х Ко ши , в ко то р ых р е ше ни е |
являе тся по ли но мо м |
||||||||||||||||||||||
нуле во й, пе р во й, |
вто р о й и тр е тье й сте пе ни , до лжно |
по луч а ться то ч но е |
р е ше ни е , а |
||||||||||||||||||||
е сли р е ше ни е |
е стьпо ли но м б о ле е |
высо ко й сте пе ни , то |
ч и сле нно е |
р е ше ни е и ме е т |
|||||||||||||||||||
по гр е шно сть. |
|
Если |
в со о тве тстви и |
с |
за да ни е м |
а вто ма ти ч е ски й |
выб о р |
ша га |
|||||||||||||||
и нте гр и р о ва ни я |
р е а ли зуе тся |
ме то до м удво е ни я |
и |
де ле ни я |
ша га |
по по ла м, |
то |
||||||||||||||||
не о б хо ди мо |
|
по до б р а ть |
пр и ме р ы |
с |
за р а не е |
и зве стно й |
по гр е шно стью |
и |
|||||||||||||||
спе ци а льным о б р а зо м за да ва ть то ч но сть с те м, |
ч то б ы р е ше ни е |
|
по луч а ло сь в |
||||||||||||||||||||
за р а не е пр е дска за нных то ч ка х и т.п. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
По стр о е ни е |
|
те сто вых |
пр и ме р о в |
не |
до лжно |
тр е б о ва ть |
б о льшо й |
||||||||||||||||
выч и сли те льно й |
р а б о ты. |
Одна ко |
и х со ста вле ни е |
не во змо жно |
б е з |
глуб о ко го |
|||||||||||||||||
по ни ма ни я пр о гр а мми р уе мо го |
ме то да . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Н и ж е |
пр и ве де н |
р яд |
за ме ч а ни й |
по |
р а зр а б о тке |
и ллю стр и р ую щ и х те сто вых |
|||||||||||||||||
пр и ме р о в. В ни ма те льно е и х и зуч е ни е |
да ж е |
в случ а е , е сли о ни не по ср е дстве нно |
не |
||||||||||||||||||||
о тно сятся |
к |
|
и нди ви дуа льно му |
за да ни ю |
студе нта, |
зна ко мят |
ч и та ю щ е го |
с |
|||||||||||||||
о сно вными |
пр и нци па ми |
и и де ями , |
ле жа щ и ми в о сно ве |
по стр о е ни я те сто вых |
|||||||||||||||||||
пр и ме р о в для р е ше ни я на ч а льных за да ч (1)-(2) ме то да ми ти па Рунге -Кутта . |
|
|
|||||||||||||||||||||
За ме ч а ни е |
о на ч а льно й то ч ке и нте гр и р о ва ни я. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
Н и ж е |
пр и со ста вле ни и те сто вых пр и ме р о в для пр о сто тывыкла до к |
|||||||||||||||||||
|
|
|
по ла га е м x0 |
= 0 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
За ме ч а ни е |
о |
со ста вле ни и |
ди ффе р е нци а льно го |
ур а вне ни я |
с |
за р а не е |
и зве стным |
||||||||||||||||
|
|
|
р е ше ни е м. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
До пусти м, мы хо ти м со ста ви ть ур а вне ни е , р е ше ни е |
ко то р о го |
е сть |
||||||||||||||||||
|
|
( |
) = x3 .y Уx ч и тыва я, |
ч то |
′ |
= 3x( 2 ),yзаxпи ше м не ско лько |
пр и ме р о в |
||||||||||||||||
|
|
|
та ки х ур а вне ни й: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
y′ = 3x2 , |
′ |
|
2 x(−yx)=3, y −′ |
|
|
(3=+ x)−. 3 xy y x |
|
|
|
|
|
|
||||||||
За ме ч а ни е |
о |
со ста вле ни и |
ди ффе р е нци а льно й |
за да ч и , |
ко то р а я пр и |
ч и сле нно м |
|||||||||||||||||
|
|
|
р е ше ни и да е тза р а не е и зве стную |
по гр е шно стьме то да на ша ге . |
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
Пр и ме р 1. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
48 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Пусть пр о гр а мми р уе мый ме то д Рунге -Кутта |
вто р о го |
по р ядка |
(22), |
||||||||||||
по гр е шно сть на |
ша ге |
ко то р о го |
и ме е тви д (23). Пр е дпо ло ж и м, ч то |
||||||||||||
пр а ва я ч а сть ур а вне ни я не |
за ви си то т y . То гда |
в выр а же ни и для |
|||||||||||||
по гр е шно сти |
|
(23) |
о ста е тся |
о дно |
пе р во е |
сла га е мо е . |
Если |
||||||||
по тр е б о ва ть, ч то б ывто р а я пр о и зво дна я |
f xx р а вняла сько нста нте, то |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
′′ |
|
|
|
|
о ч е ви дно , ч то |
на |
лю б о м ша ге |
и нте гр и р о ва ни я по гр е шно стьме то да |
||||||||||||
б уде тпо сто янна . |
Зде сьв ка ч е стве те сто во го |
пр и ме р а |
удо б но |
взять |
|||||||||||
за да ч у |
¢ = |
y |
y |
x= 0 ,0)по( ско, |
льку12 в это м случ а е по гр е шно сть на |
||||||||||
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ша ге (23) и ме е тна и б о ле е |
пр о сто й ви д ϕ2 |
º h3 . |
|
|
|
||||||||||
Пр и ме р 2. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
М о жно |
по дб и р а ть |
те сто вые |
|
пр и ме р ы |
с |
на пе р е д |
и зве стными |
||||||||
по гр е шно стями |
ме то да |
на |
ша ге , не |
и спо льзуя выр а же ни я для |
|||||||||||
по гр е шно сти , ка к это |
сде ла но |
в пр и ме р е |
1. |
|
|
|
|
||||||||
Пусть пр о гр а мми р уе мый ме то д ч е тве р то го |
по р ядка |
(33). Опять |
|||||||||||||
по ло жим, ч то |
пр а ва я ч а сть и схо дно го ур а вне ни я не за ви си то т y . |
||||||||||||||
То гда со гла сно |
(7) не по ср е дстве нно выч и сли м по гр е шно сть |
|
ϕ ( ) |
( |
) |
h æ |
y ) |
y h hç x( |
||||
|
|
|
8 è |
|
æ |
h ö |
æ |
|
|
2 |
||
3 ç x f+ |
|
÷f+x3 |
+ç |
0 |
+ |
|
|
3 |
3 |
||||||
è |
ø |
è |
|
ö |
ö |
, x(156)f |
h f x |
|
÷-+= (- 0 |
++h)÷ |
0 |
||
ø |
ø |
|
|
|
р а скла дыва я то ч но е р е ше ни е ( 0 + h) yиxфункци ю f |
в р яд Те йло р а в |
||||||||
о кр е стно сти то ч ки |
x0 : |
|
|
||||||
ϕ4 (h) = - f IV |
|
h5 |
. |
|
|
(157) |
|||
|
|
|
|
||||||
|
|
|
9 × 6! |
|
|
|
|
||
Оч е ви дно , |
ч то |
в ка ч е стве пр о сте йше го те сто во го |
пр и ме р а |
удо б но |
|||||
взятьфункци ю |
f |
с по сто янно й ч е тве р то й пр о и зво дно й, на пр и ме р , |
|||||||
f IV = |
×9!6. |
То гда |
по гр е шно сть на ша ге ϕ4 (h) = -h5 , а |
и ско ма я |
|||||
де мо нстр а ци о нна я за да ч а Ко ши и ме е тви д |
|
|
|||||||
ì |
×9!64 |
|
|
|
|
|
|
|
|
ïy¢ = |
|
x |
, |
|
|
|
|
|
(158) |
24 |
|
|
|
|
|
||||
í |
|
|
|
|
|
|
|
||
ï |
= . 0(0) |
|
|
|
|
|
|||
îy |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
49 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
За ме ч а ни е |
о |
со ста вле ни и |
те сто во го |
пр и ме р а , де мо нстр и р ую щ е го |
удво е ни е |
ша га |
|
|||||||||||||||||||
|
|
и нте гр и р о ва ни я |
|
пр и |
а вто ма ти ч е ско м |
выб о р е |
ша га |
ме то до м |
|
|||||||||||||||||
|
|
удво е ни я и де ле ни я ша га по по ла м. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
Пусть р е ша е тся за да ч а Ко ши |
ме то до м Рунге -Кутта |
по р ядка |
S |
и |
|
|||||||||||||||||||
|
|
ка ки м-ли б о |
ме то до м |
на |
ка ждо м ша ге |
о це ни ва е тся |
по гр е шно сть |
|
||||||||||||||||||
|
|
р е ше ни я. |
То гда |
|
е сли |
в ка ч е стве |
те сто во го |
пр и ме р а |
взять за да ч у |
|
||||||||||||||||
|
|
Ко ши , |
р е ше ни е м ко то р о й являе тся по ли но м сте пе ни не |
выше |
S , то |
|
||||||||||||||||||||
|
|
по гр е шно стьна |
ка ждо м ша ге |
б уде тр а вна нулю |
(ч и сле нный ме то д |
|
||||||||||||||||||||
|
|
б уде т |
да ва ть |
|
то ч но е |
|
р е ше ни е ) |
|
и , |
сле до ва те льно , |
ша г |
|
||||||||||||||
|
|
и нте гр и р о ва ни я б уде тпо сто янно |
удва и ва ться. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
К пр и ме р у, |
пустьна ч а льный ша г и нте гр и р о ва ни я за да е тся р а вным |
|
||||||||||||||||||||||
|
|
0.005. |
То гда |
|
по сле до ва те льно сть |
то ч е к, |
в ко то р ых |
б уде т |
|
|||||||||||||||||
|
|
выда ва ться р е ше ни е , та ко ва : |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
= |
= |
|
|
|
|
= |
|
3 = |
|
4 |
= |
|
x5 |
= |
155 иx. 0та к да, ле075xе . |
. 0 |
x2, x0350 |
|||||||
За ме ч а ни е |
о |
со ста вле ни и |
те сто во го |
пр и ме р а , |
де мо нстр и р ую щ е го |
|
уме ньше ни е |
|
||||||||||||||||||
|
|
ша га и нте гр и р о ва ни я в два |
р а за |
пр и |
а вто ма ти ч е ско м выб о р е |
ша га |
|
|||||||||||||||||||
|
|
ме то до м удво е ни я и де ле ни я ша га по по ла м. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
Пусть пр о гр а мми р уе тся ме то д Рунге -Кутта |
вто р о го |
по р ядка |
(22). |
|
||||||||||||||||||||
|
|
И з Пр и ме р а 1 о |
|
со ста вле ни и |
ди ффе р е нци а льно й за да ч и |
с за р а не е |
|
|||||||||||||||||||
|
|
и зве стно й |
|
по гр е шно стью |
ме то да |
на |
ша ге |
сле дуе т, |
ч то |
пр и |
|
|||||||||||||||
|
|
и нте гр и р о ва ни и |
|
ур а вне ни я |
y¢ = 12x2 |
о тна ч а льно го |
усло ви я |
y |
= 0 |
)(0 |
||||||||||||||||
|
|
по гр е шно стьме то да на лю б о м ша ге |
р а вна h3 . Пустьна ч а льный ша г |
|
||||||||||||||||||||||
|
|
и нте гр и р о ва ни я |
|
H , а |
тр е б уе ма я то ч но сть р е ше ни я |
(H |
2k )3 , где |
k |
– |
|
||||||||||||||||
|
|
не ко то р о е |
|
це ло е |
ч и сло . |
То гда |
о ч е ви дно , |
ч то |
пр и |
|
выч и сле ни и |
|
||||||||||||||
|
|
пе р во й то ч ки пе р во на ч а льный ша г б уде т k |
р а з по де ле н на |
два , а |
|
|||||||||||||||||||||
|
|
да ле е |
р а сч е тные |
то ч ки |
б удут сле до ва ть с по сто янным |
ша го м, |
|
|||||||||||||||||||
|
|
р а вным H |
2 |
k : |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x 0, x |
H |
2 |
, x 2 (H |
), x3 |
3× (H= k ) и2та к0×да ле= kе1.= |
|
|
= |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
50 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пр и ве де нные |
|
выше |
р а ссужде ни я |
де ла ли сь |
в пр е дпо ло же ни и |
||||||||||||||||||
|
|
о тсутстви я |
по гр е шно сте й о кр угле ни я. Для |
то го , |
ч то б ы о ни |
не |
|||||||||||||||||||
|
|
по вли яли |
на |
|
пр е дпо ла га е мую |
|
по сле до ва те льно сть |
то ч е к |
|||||||||||||||||
|
|
выч и сле ни я р е ше ни я, |
р е ко ме ндуе м зна ч е ни е |
то ч но сти б р а ть ч уть |
|||||||||||||||||||||
|
|
ме ньше , ч е м |
(H |
|
3 |
|
|
(H |
|
3 |
æ |
- (H |
|
3 |
ö |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
2 |
k ) , на пр и ме р |
2 |
k ) |
ç1 |
2 |
k ) |
÷ . |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
è |
|
|
ø |
|
|
|
|
|
|
|
|||
За ме ч а ни е |
|
о те сти р о ва ни и , |
связа нно м с гло б а льно й по гр е шно стью ме то до в ти па |
||||||||||||||||||||||
|
|
Рунге -Кутта . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
Пр и те сти р о ва ни и это го р о да и спо льзую тто тфа кт, |
ч то гло б а льна я |
||||||||||||||||||||||
|
|
по гр е шно стьме то до в ти па Рунге -Кутта р а вна сумме |
по гр е шно сте й |
||||||||||||||||||||||
|
|
на о тде льных ша га х и нте гр и р о ва ни я, |
е сли пр а ва я ч а стьи схо дно го |
||||||||||||||||||||||
|
|
ур а вне ни я |
не |
за ви си т о т |
y(x) , |
а |
являе тся |
то лько |
функци е й |
||||||||||||||||
|
|
а р гуме нта |
x . |
В |
это м |
случ а е |
по дб и р а е тся за да ч а |
Ко ши |
(см. |
||||||||||||||||
|
|
За ме ч а ни е |
о |
со ста вле ни и |
ди ффе р е нци а льно й |
за да ч и , |
ко то р а я пр и |
||||||||||||||||||
|
|
ч и сле нно м р е ше ни и да е тза р а не е |
и зве стную |
по гр е шно сть ме то да |
|||||||||||||||||||||
|
|
на |
ша ге ) |
с |
за р а не е |
и зве стными |
по гр е шно стями |
на |
ша ге |
и |
|||||||||||||||
|
|
пр о во ди тся и х не по ср е дстве нно е |
сумми р о ва ни е . |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
6.2. Об о ш и б к а х, до п ущ енны х п ри |
за да ни и |
вхо дны х п а ра м ет ро в |
|
|
|
||||||||||||||||||||
Одни м и з о б яза те льных тр е б о ва ни й, |
пр е дъявляе мых к р а зр а б а тыва е мым |
||||||||||||||||||||||||
по дпр о гр а мма м, являе тся |
и х |
б е за ва р и йна я р а б о та. В |
|
ч а стно сти , |
пр и лю б ых |
||||||||||||||||||||
вхо дных |
да нных |
выпо лне ни е |
по дпр о гр а ммы до лжно |
|
успе шно |
|
за ве р ши ться. |
||||||||||||||||||
У спе шно е |
за ве р ше ни е р а б о ты пр о гр а ммы пр и |
|
не пр а ви льно |
за да нных вхо дных |
|||||||||||||||||||||
па р а ме тр а х – это |
за ве р ше ни е |
р а б о ты с со о тве тствую щ и ми |
зна ч е ни ями |
ко да |
|||||||||||||||||||||
за ве р ше ни я. Пусть, к пр и ме р у, вхо дными па р а ме тр а ми являю тся: |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
N – ч и сло то ч е к р а вно ме р но го |
р а зб и е ни я для о пр е де ле ни я пе р во на ч а льно го |
||||||||||||||||||||||||
ша га и нте гр и р о ва ни я; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
A, B – на ч а ло |
и ко не ц и нте р ва ла и нте гр и р о ва ни я; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
C – то ч ка , где |
за да нына ч а льные усло ви я (ли б о |
это то ч ка |
A , ли б о |
то ч ка |
B ); |
||||||||||||||||||||
yC – на ч а льно е |
зна ч е ни е |
р е ше ни я в то ч ке |
C ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|