- •Решение систем линейных уравнений 56
- •Программа курса "Численные методы".
- •Тема 1. Погрешность результата численного решения задачи. Источники и классификация погрешностей. Абсолютная и относительная погрешности. Погрешность функции. Обратная задача теории погрешностей.
- •Тема 2. Приближение функций. Постановка задачи приближения функций. Классы аппроксимирующих функций. Критерии согласия. Погрешность аппроксимации.
- •Вопросы по курсу "Численные методы".
- •Введение.
- •Методические указания и типовые задачи. Приближенные вычисления.
- •Типовые задачи.
- •A2. Обратная задача теории погрешностей.
- •Интерполирование. Постановка задачи интерполирования. Полином Лагранжа, Стирлинга, Бесселя, Ньютона. Обратное интерполирование.
- •Интерполяционный полином Бесселя и Стирлинга.
- •Интерполяционные полиномы Ньютона.
- •Обратное интерполирование
- •Типовые задачи
- •Б1. Интерполирование с помощью полинома Лагранжа
- •Б2. Интерполирование с помощью формул Ньютона, Стирлинга, Бесселя.
- •Б3. Обратное интерполирование (случай неравноотстоящих узлов)
- •Б4. Обратное интерполирование (случай равноотстоящих узлов)
- •Численное дифференцирование. Формулы численного дифференцирования. Погрешности, возникающие при численном дифференцировании. Выбор оптимального шага численного дифференцирования
- •Выбор оптимального шага численного дифференцирования
- •Задача b
- •Численное интегрирование
- •Построение простейших квадратурных формул
- •Если округлить результат до двух знаков, то
- •Вычислительная погрешность формулы Симпсона равна
- •Приближенное решение алгебраических и трансцендентных уравнений. Одномерная оптимизация. Отделение корней. Метод хорд. Метод касательных. Метод итераций.
- •Метод Ньютона-Рафсона.
- •Решение систем линейных уравнений.
- •Численное решение обыкновенных дифференциальных уравнений.
Если округлить результат до двух знаков, то
и
.
Используя формулы (24) и (25) и результаты примера 1, получим
;
;
< ;
Формула Симпсона. Предположим, что . Разделим отрезок на равных частей, тогда
, (26)
где ; ; ;
Заменим функцию на каждом из отрезков длиной по формуле Стирлинга второго порядка. Проводя рассуждения, аналогичные сделанным при выводе формуле трапеций, получим квадратурную формулу Симпсона
(27)
с остаточным членом
(28)
Оценка остаточной погрешности формулы Симпсона примет вид
, (29)
где
Вычислительная погрешность формулы Симпсона равна
(30)
Из выражения для остаточного члена формулы Симпсона следует, что она точна для многочленов третьей степени.
Пример 3. Вычислить по формуле Симпсона с точностью .
Применяя алгоритм решения задачи II, представим суммарную погрешность в виде суммы трех слагаемых
Выберем из условия
Так как = то
и, следовательно,
Таким образом, , и
Составим таблицу значений функций с пятью знаками после запятой
|
0.000 |
0.125 |
0.250 |
0.375 |
0.500 |
0.625 |
0.750 |
|
1.000 |
0.88889 |
0.800 |
0.72727 |
0.66667 |
0.61538 |
0.57143 |
|
0.875 |
1.000 |
|
0.53333 |
0.500 |
И спользуя формулу (27), получаем:
Округляя полученный результат, получим
Правило Рунге практической оценки погрешности квадратурных формул.
Пусть и интеграл (1) вычисляется по формуле прямоугольников. Наличие у производных и позволяет при выводе формулы прямоугольников (7)-(13) получить следующее полезное соотношение
(31)
где (32)
постоянная, не зависящая от . Величина называется главной частью погрешности формулы прямоугольников.
Если , то справедливо аналогичное соотношение и для формулы трапеций
(33)
где (34)
не зависит от .
При условии можно получить аналогичные (31) и (33) соотношения для формулы Симпсона (35)
где - не зависящая от постоянная.
Обозначим через приближенное значение интеграла (1), найденное по одной из трех формул (12), (20), (27), и объединим соотношения (31), (33), (35) в одно
(36)
где не зависит от , для формул прямоугольников и трапеций, для формулы Симпсона. Предполагается, что . Запишем соотношение (36) для
(37)
вычтем из (37) (36) и получим
или
или
и, следовательно, с точностью до имеем
(38)
Вычисление приближенной оценки погрешности квадратурной формулы по формуле (38) называется правилом Рунге.
Уточнение приближенного решения по Ричардсону.
Вычитая из умноженного на равенства (36) равенство (37), получаем:
(39)
откуда (40)
Число (41)
называется уточненным по Ричардсону приближенным значением интеграла .
Согласно (40) (42)
Таким образом, с помощью приближенных значений интегралов найденных по соответствующим квадратурным формулам с шагом и , можно, во-первых, оценить погрешность более точного значения интеграла по правилу Рунге (38) и, во-вторых, вычислить по формуле (41) приближенное значение интеграла , имеющее погрешность более высокого порядка относительно , чем .
Вычисление интегралов с заданной степенью точности с помощью правила Рунге.
При применении алгоритма решения задачи II выбор шага интегрирования связан с решением неравенств либо (14), либо (22), либо (29), решение которых связано с нахождением что на практике не всегда возможно. Применение правила Рунге позволяет избежать этих трудностей.
Алгоритм вычисления интеграла с заданной степенью точности с автоматическим выбором шага.
1 шаг. Пусть – заданная функция, – интервал интегрирования, -допустимая точность.
шаг. Положить где для формул прямоугольников и трапеций, для формулы Симпсона;
; и кратно 2 или 4;
3 шаг. Вычислим
4 шаг. Положим и вычислим
5 шаг. Определим
6 шаг. Если , то положим и остановимся, иначе положим и перейдем к шагу 3.
Пример 4. Вычислить по формуле прямоугольников с точностью .
1 шаг. ; ; .
2 шаг. Положим , так как должно быть четным;
шаг. Составим таблицу значений функции в точках с тремя знаками после запятой.
|
0,125 |
0,375 |
0,625 |
0,875 |
|
0,985 |
0,877 |
0,719 |
0,566 |
4 шаг. Положим вычислим
.
5 шаг. Определим
6 шаг. Так как то положим .
Сравнение полученных результатов с точным значением интеграла показывает, что
,
следовательно, имеет 2 верных знака, а верных знака, что и следует из выражения (42).
Итак,
Пример 5. Вычислить по формуле Симпсона с точностью .
шаг. Положим тогда но так как должно быть кратным 4, то выберем ;
шаг. Составим таблицу значений функции в точках с шестью знаками после запятой.
|
0,0 |
0,125 |
0,25 |
0,375 |
0,5 |
|
1,000000 |
0,984615 |
0,941176 |
0,876712 |
0,8 |
|
0,625 |
0,75 |
0,875 |
1,0 |
|
0,719101 |
0,64 |
0,566372 |
0,500 |
Вычислим
4 шаг. Положим вычислим
.
5 шаг. Определим
6 шаг. Так как то вычислим и положим
ЗАДАЧА Г.
Вычислить интеграл по формуле прямоугольников с точностью 0,01.
1. 2. 3. 4.
5. 6. 7. 8.
9. .
Вычислить интеграл по формуле трапеций с точностью 0,01.
10. 11. 12. 13.
14. 15. 16. 17.
Вычислить интеграл по формуле Симпсона с точностью
18. 19. 20. 21.
22. 23. 24. 25. .