- •2. Позиционная и нормализованная формы записи чисел. Значащие и верные цифры позиционной системы.
- •3. Ошибки округления чисел. Распространение ошибок округления в арифметических операциях. Абсолютная и относительная погрешность суммы, разности, произведения и частного.
- •Определение 2. Величина называется абсолютной погрешностью представления числа X с помощью числа .
- •4. Близость в метрическом и нормированном пространствах. Расстояние и норма, их определения и свойства. Основные классы функций:
- •5. Постановка задачи интерполяции. Интерполяционный многочлен Лагранжа. Теорема о погрешности интерполяции. Единственность многочлена Лагранжа.
- •6. Интерполяция на равномерной сетке. Конечные разности и их свойства.
- •1) Докажем, что операторы и перестановочные. .
- •7. Интерполяционный многочлен Ньютона. Построение и оценка погрешности.
- •8. Ортогональность в гильбертовом пространстве. Многочлены Чебышёва. Определение, построение, свойства.
- •9. Применение многочленов Чебышёва к задаче интерполяции. Теорема об оптимальном выборе узлов.
- •10. Среднеквадратичное приближение функций. Постановка задачи, теорема о существовании и единственности.
- •20. Классические ортогональные многочлены. Построение ортогональных многочленов на каноническом отрезке [-1,1].
- •11. Численное интегрирование. Использование функциональных рядов.
- •12. Квадратурная формула на основе интерполяции. Формулы дл коэффициентов и остаточного члена.
- •13. Базовые квадратурные формулы прямоугольников, трапеций и парабол. Формула теоретической погрешности.
- •14. Обобщенные квадратурные формулы трапеции и Симпсона (формулы Ньютона-Котеса).
- •15. Теоретич. Оценки погрешности обобщённых формул трапеции и Симпсона.
- •16. Правило Рунге практической оценки погрешности квадратурной формулы Симпсона.
- •17. Общие свойства полиномов ортогональных с весом.
- •18. Алгебраическая степень точности квадратурной формулы. Квадратурные формулы Гаусса-Кристоффеля.
- •19. Теорема о необходимых и достаточных условиях выбора узлов в формулах Гаусса-Кристоффеля.
- •21. Принцип сжатых отображений. Теорема о неподвижной точке. Доказать единственность неподвижной точки. Следствия теоремы для банаховых пространств и пространства
- •22. Метод простых итераций решения функциональных уравнений и систем. Условия сходимости.
- •23. Метод Ньютона. Геометрическая интерпретация. Теорема о сходимости метода в одномерном случае.
- •24. Метод Ньютона в многомерном случае. Организация итерационного алгоритма.
- •25. Численные методы решения слау. Прямые и итерационные методы, общие понятия.
- •26. Нормы вещественных квадратных матриц. Спектральные свойства матриц.
- •27. Обусловленность матриц и систем лау. Число обусловленности в спектральной норме.
- •28. Метод итераций для слау специального вида. Теорема о достаточных условия сходимости.
- •29. Спектральный признак сходимости.(теорема о необх. И дост. Усл. Сходимости)
- •30.Стационарные итерационные процедуры. Приведение слау к системе специального вида.
- •31. Метод простых итераций Ричардсона. Условия сходимости.
- •32. Теорема о выборе ускоряющего множителя в методе Ричардсона.
- •33. Метод Якоби. Организация алгоритма. Теорема о достаточных условиях сходимости.
- •34. Метод Зейделя как ускорение метода Якоби. Организация алгоритма. Теорема об условиях сходимости.
- •35. Метод последовательной верхней релаксации. Задача выбора ускоряющего множителя.
- •36. Численное дифференцирование на основе интерполяции.
- •37. Численное дифференцирование на равномерной сетке, основанное на тэйлоровском разложении. Теорема об аппроксимации первой и второй производной.
- •38. Задача Коши. Постановка задачи. Сведение к системе для уравнения n-ого порядка.
- •39. Метод Эйлера. Алгоритм, геометрическая интерпретация, порядок точности.
- •40. Методы Рунге-Кутты повышенной точности. Метод «предиктор-корректор» и метод «средней точки».
- •41. Общая постановка краевой задачи для решения оду второго порядка. Классификация граничных условий.
- •42. Метод «стрельбы» решения краевой задачи с граничными условиями первого рода.
- •43. Метод конечных разностей решения линейной краевой задачи для оду второго порядка.
- •44. Каноническая разностная схема для линейного оду второго порядка, имеющая порядок аппроксимации .
- •45. Устойчивость разностных схем. Спектральный признак устойчивости для уравнений с постоянными коэффициентами. Примеры для оду и уравнений в частных производных.
8. Ортогональность в гильбертовом пространстве. Многочлены Чебышёва. Определение, построение, свойства.
Определение 1. Говорят, что функция , если . При этом называется весовой функцией и удовлетворяет условиям: на и .
Определение 2. Функции и называются ортогональными на с весом , если их скалярное произведение .
Замечание. Из неравенства Коши-Буняковского-Шварца для интегралов следует, что скалярное произведение существует
Определим на отрезке [-1,1] следующие многочлены Чебышева:
|
(24) |
Найдем два первых многочлена Чебышева по (24):
Для больших n неудобно работать с формулой (24). Выведем более удобную рекуррентную формулу. Полагая и подставляя в формулу тригонометрии:
,
получаем: (25)
Формула (25) начинает работать, начиная со значений . Последовательно получаем:
Простейшие свойства многочленов Чебышева.
1. Многочлены Чебышева ортогональны на отрезке с весом .
Рассмотрим интеграл
в силу ортогональности системы функций на отрезке .
Вычислим квадрат нормы:
.
2. При четных (нечетных) n многочлен Чебышева Tn(x) содержит только четные (нечетные) степени х, т.е. является четной (нечетной) функцией.
Доказывается по индукции с помощью рекуррентной формулы (25).
3. Коэффициент при старшей степени xn многочлена Tn(x) равен 2n-1.
Доказывается по индукции с помощью рекуррентной формулы (25).
4. Многочлен Tn(x) имеет на отрезке ровно n различных действительных корней, определяемых формулой:
Действительно:
5. и достигается в точках экстремума: .
Из определения (1) следует, что для любого . Очевидно, что
.
6. Многочлен среди всех многочленов n-ой степени с коэффициентом при старшей степени an=1 обладает тем свойством, что
. |
(26) |
Доказывается от противного: пусть это не так и существует многочлен
такой, что выполняется противоположное:
. |
(27) |
Разность ( ) – многочлен (n-1)-ой степени, причем в силу (4) . Обозначим и заметим что, в силу (27) . Продолжим рассмотрение разности:
Таким образом, при переходе от точки к разность ( ) меняет знак. Всего при переходе от точки к произойдет ровно n смен знака. Отсюда следует, что разность имеет на отрезке ровно n действительных корней (нулей), что противоречит теореме Гаусса, т.к. это многочлен (n-1)-ой степени.
Замечание. Благодаря свойству 6 многочлен Чебышева называется многочленом, наименее отклоняющимся от нуля.
9. Применение многочленов Чебышёва к задаче интерполяции. Теорема об оптимальном выборе узлов.
В следующей теореме решается следующая задача: как следует выбрать узлы интерполяции, чтобы минимизировать погрешность на всем отрезке.
Теорема 1.3. Пусть , тогда наименьшая максимальная абсолютная погрешность интерполяции полиномом Лагранжа на отрезке достигается при выборе в качестве узлов интерполяции нулей функции
Обозначим - корень многочлена . Согласно свойству 4
|
(28) |
Пусть – некоторая система узлов на . Запишем формулу максимальной абсолютной погрешности интерполяции по Лагранжу (формула (10) из п.п.1.4):
, где ,
Как следует из свойства 6: .
Выберем в качестве узлов точки , определяемые формулой (28). Тогда
.
Отметим, что многочлен имеет одну и ту же степень n+1, что и , один и тот же коэффициент при старшей степени и одни и те же нули на .
Отсюда немедленно следует, что , и соответствующая оценка погрешности: .
Данная оценка является наилучшей среди всех возможных способов выбора узлов интерполяции.
Замечание. Для оптимальной интерполяции на произвольном конечном отрезке [a;b] предварительно необходимо сделать линейное преобразование:
и преобразовать формулу для нулей функции к следующему виду:
,
Пример 15. Вывести следующую формулу для максимальной абсолютной погрешности интерполяции по Лагранжу на отрезке :