- •В. Н. Бєловодський Вісім лекцій по чисельних методах
- •7.080407 «Комп'ютерний еколого-економічний моніторинг»)
- •Лекція 1.Елементи теорії погрішностей
- •.Типи й джерела погрішностей
- •1.2.Абсолютні й відносні погрішності наближених чисел
- •1.3. Погрішності виконання арифметичних операцій
- •.Погрішність обчислення функції
- •1.5.Запис наближених чисел
- •1.6.Правила дій над наближеними числами
- •1.7.Погрішності при машинному поданні чисел
- •1.8. Варіанти індивідуальних завдань
- •Лекція 2. Інтерполяція функцій
- •2.1. Постановка задачі
- •2.2. Алгебраїчна інтерполяція, існування й одиничність інтерполяційного багаточлена
- •2.3. Інтерполяційний багаточлен Лагранжа
- •2.4. Кінцеві й розділені різниці
- •2.5. Інтерполяційний багаточлен Ньютона
- •2.6. Порівняльний аналіз інтерполяційних багаточленів
- •2.7. Погрішності інтерполяційних формул
- •2.8. Інтерполяційні формули для рівновіддалених вузлів
- •2.9. Сплайн - інтерполяція
- •2.10. Варіанти індивідуальних завдань
- •Лекція 3. Методи рішення систем лінійних алгебраїчних рівнянь
- •3.1. Попередні зауваження
- •3.2. Точні методи рішення
- •3.3. Наближені методи рішення
- •3.4. Збіжність і погрішність наближених методів
- •3.6. Варіанти індивідуальних завдань
- •Лекція 4. Вирішення нелінійних рівнянь
- •4.1. Попередні зауваження
- •4.2. Методи, засновані на алгебраїчній інтерполяції
- •4.3. Метод послідовних наближень
- •4.4. Завдання
- •Лекція 5. Рішення систем нелінійних рівнянь
- •Метод ітерацій
- •Метод Ньютона
- •5.3. Порівняльний аналіз методів
- •5.4. Завдання
- •Вимоги до програми
- •Вимоги до звіту
- •6.1. Вступні зауваження
- •6.2. Формули Ньютона-Котеса
- •6.3. Найпростіші квадратурні правила
- •6.4. Погрішності квадратурних формул
- •6.5. Поняття про методи Монте-Карло
- •6.6. Завдання
- •Варіанти завдань
- •Лекція 7. Методи рішення звичайних диференціальних рівнянь
- •Вступні зауваження
- •Аналітичні методи
- •Чисельні методи рішення. Правило Рунге
- •Завдання
- •Лекція 8. Основи спектрального аналізу
- •Елементи загальної теорії
- •Дискретна форма рядів Фур'є
- •8.4. Завдання
4.1. Попередні зауваження
Звичайно процес рішення рівняння
, (4.1)
де
- деяка безперервна функція, розпадається
на два етапи.
Перший з них полягає у встановленні проміжку [a, b], на якому перебуває, принаймні, один корінь рівняння (4.1). Цей етап називається відділенням корінь і може здійснюватися різними способами. Один з них базується на фундаментальній властивості безперервних функцій, описаній теоремою Больцано-Коші :
|
Нехай
функція
|
Геометрично
це означає, що при виконанні зазначених
умов графік функції
на відрізку [a,
b],
хоча б один раз, перетне вісь ox
(Малюнок
4.1).

y
f(a)f(b)
< 0
y=f(x)



a
b x c
Рисунок 4.1. Ілюстрація до теореми Больцано-Коші
Звідси
треба, що для відділення корінь рівняння
(4.1) на спочатку заданому відрізку [А;
В]
необхідно з деяким кроком h
провести обчислення функції в точках
і виділити той або той відрізки
,
для яких
.
Якщо з обраним значеннямh
такий проміжок вибрати не вдалося, то
необхідно повторити обчислення, зменшуючи
до розумних меж значення h.
Інший
спосіб відділення корінь, - графічний.
При сучасному рівні розвитку обчислювальної
техніки він, очевидно, є й більше кращим.
Полягає в побудові графіка функції
на проміжку [A;
B]
і у встановленні, виходячи із графіка,
відрізка [a,
b],
на якому він перетинає вісь ох.
Зауваження.
На
теоремі Больцано-Коші заснований один
з методів рішення нелінійних рівнянь,
- метод
половинного ділення. Він
полягає в наступному. Нехай установлений
відрізок [a,
b],
на якому
.
Далі, розглядається середина цього
відрізка точка
,
визначається
й з відрізків [a;
c],
[c;
b]
вибирається той, на якому функція
міняє знак.
На
обраному відрізку, позначимо його через
[a1,
b1],
величина якого дорівнює
,
знову розглядається середина відрізка
,
визначається
й з відрізків [a1;
c1],
[c1;
b1]
вибирається той, на якому
змінює знак. Він позначається через
[a2,
b2]
і процедура повторюється. На n-n-
ом кроці величина відрізка [an,
bn]
дорівнює
.
Якщо вона менше
,
де
- необхідна точність рішення рівняння,
то процес послідовного ділення
завершується і як наближене рішення
вибирається
.
4.2. Методи, засновані на алгебраїчній інтерполяції
Розглянемо
рівняння (4.1). Нехай
- деяке наближення до його рішення.
Розкладемо ліву частину рівняння по
формулі Тейлора в точці![]()
.
(4.2)
Метод Ньютона. Обмежимося в розкладанні (4.2) першими двома доданками
![]()
і розв'яжимо отримане вираження відносно х
.
Останнє співвідношення приймається в якості базового для формування обчислювального процесу. Він описується формулою
-

(4.3)
і називається методом Ньютона. Помітимо, що правило (4.3) має цілком певний геометричний зміст.
Дійсно,
розглянемо рівняння дотичної до графіка
функції
в точцi![]()
![]()
і
визначимо її точку перетинання з віссю
ох.
Маємо
,
звідки
.
З порівняння отриманого вираження з (4.2) слiдує висновок, що
|
абсциса
точцi перетинання дотичній, проведеної
до графіка функції в точці
|


Рисунок 4.2. Метод Ньютона
Із цієї причини метод Ньютона називають ще методом дотичних.
Метод хорд. Розглянемо (4.3). Замінимо в ньому
на
.
У результаті цього одержимо нове обчислювальне правило
-

(4.4)
називане методом хорд.
З'ясуємо його геометричний зміст.
Розглянемо
точки кривої
,
і проведемо через них пряму
.
Знайдемо, далі, її точку перетинання з віссю абсцис. Маємо
,
.
Порівнюючи отримані вираження зі співвідношенням (4.4), доходимо висновку, що
|
абсциса точки перетинання прямій, що проходить через точки кривій, обумовлені двома останніми наближеннями, являє собою наступне наближення до рішення рівняння (4.1) (Малюнок 4.3).
|


Рисунок 4.3. Метод хорд
Збіжність,
оцінка погрішності. Розглянемо
ці питання на прикладі методу Ньютона.
Розглянемо відображення
,
де
,
- ліва частина рівняння (4.1),
.
Помітимо,
що нерухома точка відображення
,
якщо вона є, є й рішенням рівняння (4.1).
Дійсно, нехай існує значеннях
таке, що
.
Звідси
,
звідки
,
що й було потрібно.
Далі,
нехай
,
- довільні значеннях,
оцінимо величину
.
Маємо

Тоді по теоремі Лагранжа
![]()
де
,
або
![]()
де
.
Звідси слiдує твердження.
|
Якщо
|
Гранична
точка х
послідовності (4.3) є нерухомою точкою
відображення
і є шуканим рішенням. Погрішність
,
- n-го
наближення до рішення, як і раніше,
описується співвідношенням (3.10).
