- •Конспект лекцій Частина і з дисципліни “Числові методи і моделювання на еом”
- •Лекция 1 числові методи алгебри. Особливості алгоритмування обчислювальних задач. Елементи теорії похибок обчислень та аналізу помилок округлення. Порядок виконання операцій
- •1.1. Про наближені обчислення
- •1.2. Лінійні заміни змінних
- •1.3. Системи лінійних алгебраїчних рівнянь
- •2.1. Апроксимація функції по Фур'є.
- •2.1.1. Перетворення Фур'є
- •2.2. Зворотна матриця
- •3.2. Метод хорд для рішення рівнянь
- •3.3. Метод дотичних для розв'язання рівнянь
- •3.1. Метод ділення відрізка навпіл для розв'язання рівнянь
- •3.4. Методика рішення алгебраїчного рівняння
- •Метод простих ітерацій
- •Метод Зейделя
- •Метод ітерацій для рішення рівнянь
- •4.4. Метод ітерацій для рішення систем нелінійних алгебраїчних і
- •Лекция 5 звернення матриць. Подвійність у лінійному програмуванні. Одночасне рішення пари двоїстих задач лінійного програмування.
- •Лекція 6
- •6.1. Чисельне диференціювання функції однієї змінної.
- •6.2. Чисельне інтегрування функції однієї змінної.
- •6. 3. Постановка задачі про чисельне рішення звичайного диференціального рівняння.
- •6.5. Метод Рунге-Кутта чисельного рішення звичайного диференціального рівняння.
- •6.6. Підхід до чисельного рішення системи звичайних диференціальних
- •Лекция 7 методи розв’язку диференціальних рівнянь та їх систем. Розв'язання систем лінійних алгебричних рівнянь із допомогою жорданових виключень
- •Лекция 8 чисельне диференціювання та інтегрування. Основна задача лінійного програмування. Дослідження її окремих випадків. Модифікований варіант жордановых винятків
- •8.1. Постановка основної задачі лінійного програмування (озлп)
- •8.2. Екстремальні задачі, що зводяться до озлп заміною змінних
- •8.3. Лінійна заміна змінних і її використання в дослідженні основної
- •8.4. Модифікований варіант жордановых виключень як спосіб організації лінійної заміни змінних
- •Лекция 9 диференціювання інтерполяційних формул. Мова « n-мірних» точок. Геометрія задачі лінійного програмування. Опорне рішення й оптимальне рішення. Загальні установки симплекса-методу
- •9.1.Мова n-мірних точок.
- •9.2. Геометрія задачі лінійного програмування.
- •Опорне рішення й оптимальне рішення. Загальні установки симплекс-методу
- •Підготовка озлп до рішення симплекс-методом.
- •Список рекомендованої літератури
Лекція 6
СИСТЕМИ ЛІНІЙНИХ РІВНЯНЬ ТА ПЕРЕТВОРЕННЯ
ЧИСЕЛЬНЕ ДИФЕРЕНЦІЮВАННЯ Й ЧИСЕЛЬНЕ ІНТЕГРУВАННЯ ФУНКЦІЇ ОДНІЄЇ ЗМІННОЇ. МЕТОДИ ЧИСЕЛЬНОГО РІШЕННЯ ЗВИЧАЙНОГО ДИФЕРЕНЦІАЛЬНОГО РІВНЯННЯ, А ТАКОЖ СИСТЕМ ТАКИХ РІВНЯНЬ
6.1. Чисельне диференціювання функції однієї змінної.
Нехай
на відрізку
задана функція
в деякій системі крапок:
,
де
.
Відомо,
що в цієї функції
є похідні всіх порядків. Потрібно знайти
в деякій крапці
ту або іншу похідну функції
.
Перший спосіб рішення цієї задачі напрошується сам по собі: замінимо функцію її багаточленом Лагранжа, побудованим по заданій таблиці значень функції, а потім візьмемо необхідну похідну від нього, користуючись особою простотою будови багаточлена в змісті правил диференціювання.
Другий
спосіб припускає, що крапка, у якій треба
знайти похідну, є одним з вузлів таблиці,
наприклад,
.
Тоді в якості шуканої першої похідної
береться число
.
По
цьому принципі можна обчислити
в точках
.
Потім по перших похідних і колишньому
принципі можна знайти
в
точках
потім - -
у точках
і т.д.
6.2. Чисельне інтегрування функції однієї змінної.
Потрібно знайти
с тим або іншим ступенем точності. Відомі три класичних способи зробити це.
Спосіб
№ 1:
метод
прямокутників.
Відрізок
розбивається на
рівних частин:
довжиною
,
де
.
Потім
на кожній ділянці
функція
заміняється на константу
,
після чого шуканий інтеграл заміняється
на інтеграл від нової східчастої функції,
тобто на число
.
Можна довести, що справедливо наступну оцінку:
,
де
- максимум модуля першої похідної функції
на відрізку
.
Спосіб № 2: метод трапецій.
У цьому методі шуканий інтеграл після розбивки відрізка на рівні частини заміняється на наступну суму (підсумуються площі трапецій, а не прямокутників, як у попередньому випадку):
,
де
Можна довести, що якщо
- вихідний обговорюваний інтеграл, то
,
де
на відрізку
.
Спосіб
№ 3:
метод
парабол.
У цій ситуації відрізок
розбивається на
рівних частин:
,
де
.
На ділянках
,
функцію
заміняють
на параболу, що проходить через крапки
й інтегралом від цієї параболи на ділянці
заміняють інтеграл від функції
на цій же ділянці, після чого всі ці
інтеграли підсумують і результати
приймають за інтеграл від
по всьому відрізку
.
Отримана наближена формула називається
формулою
парабол
або формулою
Симпсона.
От її остаточний вид:
.
Якщо
ліву частину цього наближеної рівності
позначити через
,
а праву - через
,
то виявиться виконаної наступна формула
для оцінки погрішності:
,
де
- максимум на інтервалі
четвертої
похідної функції
.
6. 3. Постановка задачі про чисельне рішення звичайного диференціального рівняння.
Звичайним диференціальним рівнянням називається рівність
(6.3.1)
,
у
якому
- незалежна змінна, що змінюється в
деякому відрізку
,
а
- невідома функція від
,
що і треба знайти. Розрізняють два типи
звичайних диференціальних рівнянь -
рівняння без початкових умов і рівняння
з початковими умовами. Рівняння
без початкових умов
- це саме те, що було тільки що визначене.
А рівняння
з початковими умовами
- це записане вище рівняння щодо функції
,
але в якому потрібно знайти лише таку
функцію
,
що задовольняє при деякому
наступним умовам:
,
т.е.
у крапці
функція
і її перші
похідних приймають наперед задані
значення. У цій ситуації число
називається
порядком
рівняння.
Метод Ейлера чисельного рішення звичайного диференціального рівняння.
Припустимо, що порядок рівняння (6.3.1) дорівнює 1 і, більше того, його можна представити виді
(6.4.1)
.
У випадку першого порядку початкові умови перетворюються в єдину рівність:
.
Шукана
функція
при чисельному підході до проблеми
рішення завжди сприймається через якусь
таблицю своїх значень; іншими словами,
за заданим значенням аргументу
треба знайти такі
,
щоб таблиця
виявилася
таблицею значень шуканої функції. Для
цього, у свою чергу, досить за заданим
значенням
уміти знаходити значення
в
будь-якій крапці
.
От метод Ейлера для цього останнього
пошуку:
1й
крок.
Фіксуємо точність, з якої потрібно
знайти значення
.
Позначимо це число через
.
Пояснимо, що це означає, що числа, що
відрізняються менше, ніж на
,
уважаються однаковими.
2й
крок.
Фіксуємо довільне
й розділимо відрізок
на
рівних частин:
,
де
.
3й крок. Побудуємо послідовність чисел
,
у
якій, нагадаємо,
.
Позначимо
через
.
4й
крок.
Замінимо
на
й повторимо кроки 2 і 3. Отримане число
(тобто останнє з обчислюються на кроці
3) позначимо тепер через
.
5й крок. Якщо виявиться, що числа й відрізняються друг від друга менше, ніж на , то число вважається знайденим і рівним . У противному випадку перепозначимо через і повернемося до кроку 4.
Можна
довести, що коли
функція
з
(6.4.1) має
безперервні частки похідні, описана
процес обов'язково кінцевий і відповідь
перебуває дійсно з кожної наперед
заданою точністю.
