- •4.1 Постановка задачі 15
- •5.1 Різницева схема 21
- •1 Задача коші для лінійного рівняння з частинними похідними першого порядку
- •1.1 Постановка задачі
- •1.3 Різницева схема
- •1.4 Обчислювальний алгоритм
- •2 Апроксимація, стійкість, збіжність
- •4 Мішана задача для рівняння теплопровідності
- •4.1 Постановка задачі
- •3 Збіжність розв’язку різницевої схеми до розв’язку задачі коші для лінійного рівняння з частинними похідними першого порядку
- •3.1 Апроксимація
- •4.2 Сітки й норми
- •4.3 Різницева схема
- •4.4 Обчислювальний алгоритм
- •4.5 Апроксимація
- •5 Хвильове рівняння
- •5.1 Різницева схема
- •6 Деякі числові методи розв’язання інтегральних рівнянь
- •6.1 Основні означення та деякі результати теорії
- •6.2 Метод послідовних наближень
- •6.3 Метод квадратур
- •7 Завдання для самостійної роботи студентів
- •7.1 Завдання 1
- •7.2 Завдання 2.
- •7.3 Завдання 3.
- •7.4 Завдання 4.
- •7.5 Вимоги до звіту з самостійної роботи
- •Література
6.2 Метод послідовних наближень
Розглянемо рівняння Фредгольма
, (71)
де та неперервні.
Розв’язок шукаємо у вигляді ряду по степенях :
, (72)
де
– деякі функції, які треба визначити.
Для цього підставимо (72) в (71) та прирівняємо
коефіцієнти при однакових степенях
.
Одержуємо
(73)
Тобто
(73) дає рекурентні співвідношення для
послідовного обчислення всіх
через
та
.
Зробимо
оцінку зверху для
.
Припустимо, що
та
для
,
.
Тоді
,
.
А далі за індукцією (перевірте самостійно)
.
Таким чином, рівномірна збіжність ряду
(72) буде забезпечена, коли
, (74)
і ряд (72) дає точний розв’язок рівняння (71) за умови (74).
У якості наближеного розв’язку рівняння (71) можна взяти скінчену кількість членів ряду, тобто
. (75)
Межу абсолютної похибки такого наближення дає наступне співвідношення
.
(76)
Приклад 1. Методом послідовних наближень відшукати розв’язок рівняння
,
.
Тут
,
.
Беремо
.
Тоді наближений розв’язок згідно (75)
має вигляд
.
Маємо
,
,
і, таким чином,
.
Тому, що в цьому прикладі
,
,
згідно (74) робимо висновок, що ряд (72) збігається при
.
Якщо
взяти
,
то згідно (76) робимо висновок, що абсолютна
похибка одержаного наближення не
перевищує
.
Розглянемо тепер рівняння Вольтерра другого роду
, (77)
де .
Аналогічно попередньому шукаємо розв’язок рівняння у вигляді ряду по степенях :
(78)
Після підставлення (78) в (77) та прирівнення коефіцієнтів при однакових степенях одержуємо аналог (73)
,
,
. (79)
Оцінка
дає
,
,
А далі за індукцією
;
тут як і раніш
при
,
та
при
.
Таким чином, ряд (78) мажорується збіжним рядом
і
за ознакою Вейєрштрасса3
рівномірно збігається для довільного
та
дає єдиний розв’язок рівняння (77).
Наближений розв’язок задається скінченою сумою
(80)
Межу абсолютної похибки одержимо з нерівності
. (81)
Можна
дати більш грубу, але більш просту оцінку
похибки. Якщо в попередній нерівності
винести за дужки спільний множник
,
то можна одержати
Ряд у фігурних дужках мажорується рядом
Тоді одержується оцінка
,
(82)
при
цьому необхідно, щоб
було настільки велике, аби виконувалася
умова
.
Приклад 2. Розв’язати інтегральне рівняння
,
взяти
,
.
Тут
,
,
.
Наближений розв’язок шукаємо у вигляді
.
Інтегрування за формулами (79) дає:
;
;
;
;
.
Звідси
.
Перевірте
самостійно, що точним розв’язком цього
рівняння є
.
Порівняння його з наближеним в точках
та
дає:
,
,
,
.
Порівняйте самостійно точний розв’язок з наближеним у вибраних вами проміжних точках відрізку [0,1].
Ясно, що головним недоліком методу послідовних наближень при розв’язанні інтегральних рівнянь є необхідність точного інтегрування в (73) або (79).
6.3 Метод квадратур
Інша
найпростіша ідея розв’язання рівнянь
(66), (70), це заміна інтегралів квадратурними
формулами з вузлами
та зведення задачі до розв’язання
системи лінійних алгебраїчних рівнянь
відносно наближених розв’язків в цих
вузлах.
Нагадаємо деякі формули числового інтегрування з рівновіддаленими вузлами в конкретній ситуації розв’язання інтегральних рівнянь.
Розіб’ємо
відрізок
на
частин з
вузлами
,
,
…,
,
де
.
Наближений розв’язок інтегрального
рівняння у вузлах будемо позначати
.
Тоді для ускладненої формули трапецій будемо мати
.
(83)
Якщо
взяти
,
,
,
то за ускладненою формулою Сімпсона
(парабол) маємо
.
Далі,
якщо взяти
в тих же вузлах, що і
,
та підставити ту чи іншу квадратурну
формулу в (66) або (70), то можна одержати
систему лінійних алгебраїчних рівнянь
відносно наближених значень
.
Так, наприклад, підставляючи (83) в (66)
будемо мати систему
,
.
Якщо
визначник цієї системи не дорівнює
нулеві ( а це треба перевіряти), то
застосовуючи, наприклад, метод Гаусса
з вибором головного елементу, одержуємо
наближені значення
,
.
Наближені значення
в проміжних точках
можна одержати, якщо побудувати,
наприклад, інтерполяційний кубічний
сплайн.
