- •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.
Выбор оптимального шага численного дифференцирования
Оценка абсолютной погрешности численного дифференцирования складывается из остаточной погрешности, оцениваемой величиной , и вычислительной погрешности, определяемой приближенным заданием величин yi, i=0,1,...,n, (погрешностью округления результата пренебрегаем). Рассмотрим для определенности формулу (19).
Приближенное значение производной
(22)
имеет остаточную погрешность
и вычислительную погрешность согласно равенству (9) темы I
где - абсолютная погрешность каждого из чисел yi, i=0,1,...,n.
Таким образом, полная погрешность формулы численного дифференцирования (22)-
Для малости необходима малость h, но при уменьшении h растет . Из уравнения получаем значение h*, при котором погрешность формулы (22) имеет минимальное значение.
Задача.
Функция f(x) задана таблицей своих значений, верных в написанных знаках. Найти первую производную этой функции в точках x1*=0,7 и x2*=1,0. Оценить погрешности результатов. Найти оптимальный шаг h* для каждой из формул численного дифференцирования.
Xi |
0,5 |
0,6 |
0,7 |
0,8 |
0,9 |
1,0 |
yi |
0,4794 |
0,5646 |
0,6442 |
0,7174 |
0,7833 |
0,8415 |
Решение.
Точка x1*=0,7 - центральный узел таблицы. Для вычисления в данной задаче следует воспользоваться одной из формул (8), (14), (15), (18).
1) Воспользуемся формулой (8), обозначив x0=0,6; x1=0,7; x2=0,8. Тогда
Остаточная погрешность результата в соответствии с формулой (11) -
где
Чтобы оценить M3, построим для данной функции таблицу конечных разностей.
xi |
yi |
|
|
|
|
0,5 |
0,4794 |
|
|
|
|
0,0852 |
|
|
|
||
0,6 |
0,5646 |
-0,0056 |
|
|
|
0,0796 |
-0,0008 |
|
|||
0,7 |
0,6442 |
-0,0064 |
-0,0001 |
||
0,0732 |
-0,0009 |
||||
0,8 |
0,7174 |
-0,0073 |
0,0003 |
||
0,0659 |
-0,0006 |
||||
0,9 |
0,7883 |
-0,0077 |
|
||
0,0582 |
|
|
|||
1,0 |
0,8415 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Вычислительная погрешность результата -
где - абсолютная погрешность величин yi.
Определим оптимальный шаг для использованной формулы численного дифференцирования.
откуда
.
2) Решим теперь данную задачу с помощью формулы (14), обозначив x0=0,6; x1=0,7; x2=0,8; x3=0,9.
Определим для этой формулы оптимальный шаг численного дифференцирования.
Точка x2*=1,0 является последним узлом таблицы. Для вычисления служат формулы (9), (16), (21). Воспользуемся формулой (16), обозначив x0=0,7; x1=0,8; x2=0,9; x3=1,0.
.
Определим соответствующий данной формуле оптимальный шаг таблицы.