- •Оглавление предисловие
- •Основные понятия и вычислительные методы (теоретическая часть)
- •Метод Гаусса
- •Метод lu-разложения
- •Обращение матрицы и вычисление определителя
- •Число обусловленности матрицы (системы уравнений)
- •Вычислительные методы для решения нелинейных уравнений
- •Метод секущих
- •Метод итераций
- •Преимущества и недостатки методов
- •Метод половинного деления
- •Метод Ньютона (метод касательных)
- •Методы решения систем нелинейных уравнений
- •Метод Ньютона для систем уравнений
- •Метод итераций для систем уравнений
- •Некоторые сведения о полиномах и их корнях
- •Полиномиальные уравнения
- •Вычисление интегралов
- •Дифференциальные уравнения (численные методы)
- •Жесткие системы дифференциальных уравнений
- •Аналитическое решение систем линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами
- •Нахождение экстремумов функции нескольких переменных
- •Метод покоординатного спуска
- •Симплекс-метод
- •Метод наискорейшего спуска
- •Метод Ньютона
- •Преобразования Фурье и Лапласа
- •Применение системы mathcad для решения вычислительных задач (практическая часть)
- •Исправления
- •Продолжение простейших вычислений
- •Точность
- •Символьные вычисления
- •Переменные
- •Функции пользователя
- •Операции математического анализа
- •Построение графиков функций одного переменного
- •Задания для самостоятельной работы
- •Матрицы
- •Векторы
- •Системы линейных уравнений
- •Число обусловленности матрицы
- •Собственные числа и собственные векторы матрицы
- •Графики функций двух переменных
- •Задания для самостоятельной работы
- •Нахождение корней нелинейного уравнения
- •Решение систем нелинейных уравнений
- •Корни многочлена
- •Наибольший общий делитель двух многочленов
- •Кратные корни
- •Результант
- •Задания для самостоятельной работы
- •Полиномиальные уравнения
- •Вычисление определенных интегралов
- •Решение дифференциальных уравнений
- •Задания для самостоятельной работы
- •Системы дифференциальных уравнений
- •Решение жестких систем дифференциальных уравнений
- •Решение линейных систем дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами
- •Задания для самостоятельной работы
- •Нахождение экстремумов функции
- •Экстремумы функции многих переменных
- •Преобразования Фурье и Лапласа
- •Дискретное преобразование Фурье
- •Задания для самостоятельной работы
Метод наискорейшего спуска
Этот метод требует вычисления частных производных первого порядка от исходной функции. Другое название метода – метод антиградиентного спуска.
Выбирается
начальное приближение
.
В этой точке вычисляется вектор градиента
функции
.
По
смыслу градиента функция
быстрее всего убывает в направлении,
противоположном градиенту, т.е. в
направлении вектора
.
Функция
ограничивается на прямую,
проходящую
через точку
и параллельную градиенту
.
Находится
точка минимума этой функции
,
.
Вычисляется новое приближение:
,
.
После
этого процесс повторяется из точки
.
Получается новое приближение
и т.д.
Вычисления
обычно останавливают, если
или если
.
Метод наискорейшего спуска сходится медленно в случае так называемых овражных функций. График такой функции двух переменных представлен на рис. 5. Линии уровня овражной функции изображены на рис. 6, более темным линиям соответствуют меньшие значения функции.
С
ледует
заметить, что рис. 5, 6 лишь схематически
соответствуют овражным функциям. На
самом деле «края оврага» должны
подниматься значительно круче, а овалы
соответствующих замкнутых линий уровня
должны сжаться практически в куски
линий. На рисунках это выглядит мало
понятно.
Метод Ньютона
Этот
метод использует производные первого
и второго порядка. Метод заключается в
следующем. Выбирается начальная точка
.
Каждое следующее приближение подсчитывается
по формуле
,
где
,
.
Процесс
останавливается, если
или
.
Метод Ньютона сходится очень быстро, если начальное приближение достаточно близко к точке минимума. Во многих случаях метод может расходиться, если начальное приближение взято неудачно, т.е. далеко от точки минимума. Поэтому обычно в начале процесса применяются другие методы, чтобы подойти к точке минимума поближе, а на заключительном этапе применяется метод Ньютона.
Преобразования Фурье и Лапласа
Для анализа колебательных процессов используют ряды Фурье. Как правило, используется комплексная форма ряда Фурье.
При
наличии некоторых ограничений функцию
,
заданную на отрезке [0; T ],
можно записать в виде
,
где
.
Для приближенного вычисления коэффициентов
применим формулу прямоугольников.
Отрезок [0; T ]
разобьем на N
частей
точками
,
,…,
и обозначим
.
Тогда
![]()
и соответственно
.
(9)
Здесь
мы видим, что коэффициент
,
вычисляемый приближенно, т.е.
,
не зависит от длины отрезка [0;T ],
а зависит только от числа узлов N
и значений функции в этих узлах.
Покажем, что
(10)
при любом целом k. Действительно
.
Так
как
для любого целогоm,
то
.
В
силу этого свойства коэффициентов
имеет смысл вычислять эти коэффициенты
лишь приN
последовательных значениях индекса q.
Составим
функцию
.
Несложно показать, что на узлах
выполняется
равенство
,
т.е. в наших обозначениях
.
Однако вне узлов на [0;T ]
расхождение значений может быть весьма
большим даже при больших N.
Например, возьмем функцию
.
Подсчет показывает, что для нее
,
,
при
.
Таким образом,
.
Возьмем
.
Получим
.
Если
число N
большое, то
.
В итоге получили, что расхождение равно
приближенно
.
Такого
большого расхождения функций вне узлов
решетки можно избежать. В силу (10)
,
т.е. коэффициенты
можно брать и с отрицательными индексами.
Положим
.
Для
этой функции при любом
выполняется условие
,
если
.
Равенство
называется
тригонометрической интерполяцией
функцииf(x),
коэффициенты
называются дискретными коэффициентами
Фурье.
Так
как
,
то соответствие между векторами
и
является взаимно однозначным. Здесь мы
предположили, чтоN
–
четное число.
Преобразование
называется дискретным преобразованием
Фурье, а преобразование
– обратным дискретным преобразованием
Фурье.
Из
общего курса математики известно, что
для функций, заданных на всей оси, при
некоторых ограничениях определено
преобразование Фурье в комплексной
форме
,
где
,
и обратное преобразование Фурье
,
.
Это так называемая симметричная форма
преобразований Фурье. Кроме этих формул
используются и другие формулы, отличающиеся
от них коэффициентами перед интегралами
и знаками в показателе экспоненты. Это
объясняется тем, что инженеров обычно
интересует, как величина амплитуды
зависит от частоты
,
а само значение этой амплитуды является
несущественным. Функция
называется спектральной плотностью
или спектральной функцией функции
.
В системе MATHCAD 14 при символьных преобразованиях используются несимметричные формулы преобразований Фурье:
(11)
(12)
В
более ранних версиях системы знаки
показателей экспоненты – противоположные.
Следует помнить, что преобразование
Фурье применяется только к абсолютно
интегрируемым функциям, т.е. к функциям,
для которых сходится несобственный
интеграл
.
Последнее не означает, что этот интеграл
можно вычислить, используя таблицу
интегралов. (Если интеграл расходится,
то результатом преобразования Фурье
может оказаться обобщенная функция.
Этот математический объект в некотором
отношении похож на функцию, но в
действительности функцией не является.)
Если говорить грубо, то сходимость
интеграла
означает, что
при
,
причем довольно быстро, быстрее, чем
.
Функций, которые записываются с помощью
элементарных функций и удовлетворяют
поставленным условиям, сравнительно
мало.
Дискретное
преобразование Фурье является некоторым
приближением преобразования Фурье.
Понимать это нужно так. Пусть преобразование
Фурье применяется к функции
и
дает спектральную функцию
.
Выделим отрезок [a;
b],
вне которого функция
мала и на котором отражены наиболее
важные черты графика
.
Длину этого отрезка обозначим черезT.
Разобьем отрезок на N
частей (N
– большое число) и найдем дискретное
преобразование Фурье с периодом T.
Если в преобразовании Фурье использовалась
формула (11), то
.
Равенство будет тем точнее, чем больше
величиныT
и N.
Преобразование
Лапласа
достаточно подробно рассматривалось
в общем курсе математики. Так как вMATHCAD
это преобразование выполняется только
в символьном виде, то здесь мы на этом
преобразовании останавливаться не
будем.
