- •Общие рекомендации студенту-заочнику к изучению курса “численные методы”
- •Правила выполнения и оформления контрольной работы
- •Программа курса “численные методы” для студентов –-заочников инженерно-технических специальностей (четвертый семестр)
- •Контрольная работа Задача №1 интерполирование функций с помощью многочлена ньютона
- •Задача №2 метод наименьших квадратов
- •Задача №3
- •Задача №2
- •Задача №3
- •Решение. Пусть дано уравнение с одним неизвестным вида
- •Задача №4
- •Задача №5
- •Задача №6
- •Задача №7
- •Библиографический список
- •Содержание
Задача №2
Задание.
Дана таблица
значений функции
.
Используя
метод наименьших квадратов, подобрать
для заданных значений
и![]()
1) линейную функцию
;
2) квадратичную
функцию
.
Построить графики этих функций.
|
X |
0.5 |
1.0 |
1.5 |
2.0 |
2.5 |
3.0 |
|
Y |
0.31 |
0.82 |
1.29 |
1.85 |
2.51 |
3.02 |
Решение.
Пусть для неизвестной
функции
в точках
экспериментальным путем получены
значения
.
Интерполяция позволяет аппроксимировать
таблично заданную функцию
с помощью более простой функции
.
При этом требуется выполнение в узлах
интерполяции
равенства
(
).
В ряде случаев выполнение этого условия
затруднительно или даже нецелесообразно.
При большом числе узлов интерполяции
степень интерполирующего многочлена
получается высокой. Поэтому точность
такой аппроксимации гарантирована лишь
в небольшом интервале порядка несколько
шагов сетки. Для другого интервала
приходится заново вычислять коэффициенты
интерполяционной формулы. В практических
приложениях желательно иметь единую
приближенную формулу
(
),
пригодную для большего отрезка
.
При этом точность приближения может
оцениваться по разному. В основу обычно
берется рассмотренное отклонение
(
).
В связи с этим
возникает задача приближения таблично
заданной функции
многочленом
,
который имеет не слишком высокую степень
и дает в некотором смысле разумную
точность аппроксимации.
Для решения этой
задачи воспользуемся методом наименьших
квадратов. В методе наименьших квадратов
за меру отклонения многочлена
от функции
принимается их среднее квадратичное
отклонение
.
Задача состоит в
том, чтобы в аппроксимирующем многочлене
подобрать коэффициенты
так, чтобы минимизировать
Так как коэффициенты
выступают в роли независимых переменных
функции
,
то необходимым условием минимума
является равенство нулю всех частных
производных
,
,
…,
.
Приравнивая нулю эти частные производные
получим систему уравнений

После преобразования система принимает вид

Определитель этой
системы отличен от нуля, поэтому эта
система имеет единственное решение
.
1) Аппроксимируем
таблично заданную функцию
линейной
.
Составим
систему для определения
![]()

Предварительно
вычисляем
,
,
,
Следовательно,
Решая
эту систему, находим
и
:
,
.
Искомый многочлен
.
2) Аппроксимируем
таблично заданную функцию
квадратичной функцией
.
Составим систему
для определения
![]()

Предварительно вычисляем
,
,
,
,
,
,
![]()
Получим систему уравнений вида

Решая эту систему,
находим
,
и
:
,
,
.
Искомый многочлен
![]()
Задача №3
Задание.Получить приближенное решение системы методом простой итерации с точностью 0.01.

Решение. Пусть дана система линейных уравнений
(1)
Введя в рассмотрение матрицы
,
,
.
систему (1) можно записать в виде матричного уравнения
.
(2)
Предполагая, что
диагональные коэффициенты
,
разрешим первое уравнение системы
(1) относительно
,
второе – относительно
и т.д. Тогда получим эквивалентную
систему
(3)
где
,
при![]()
и
при
Введя матрицы
,
,
систему (3) можем записать в матричной форме
.
(4)
Для решения системы
(4) применим метод последовательных
приближений. За начальное приближение
принимаем, например, столбец свободных
членов
.
Далее, последовательно строим матрицы-столбцы
,
,….
,
,
…
Если
последовательность приближений
имеет предел
,
то этот предел является решением системы (4) и, cледовательно, решением равносильной системы (1).
Для того чтобы процесс итераций сходился к единственному решению этой системы, независимо от выбора начального приближения, необходимо выполнение для приведенной системы (3) по меньшей мере одного из условий (достаточное условие сходимости метода итераций)
или
.
Приведем заданную систему уравнений к виду (3)

В качестве начального
приближения возьмем систему чисел
;
;
.
После первого шага получим:

После второго:

Дальнейшие вычисления располагаем в таблице 2:
Таблица 2
|
|
|
|
|
|
0 1 2 3 4 5 6 |
1.2000 1.2000 0.9640 1.0098 0.9975 1.0007 0.9998 |
0.0000 1.0600 0.9440 1.0104 0.9966 1.0009 0.9997 |
0.0000 1.1600 0.9480 1.0144 0.9960 1.0012 0.9997 |
Точное решение
(
)
практически достигается на 6-ой итерации.
