- •Часть 2
- •Содержание
- •Введение
- •На основании теоремы для функции f(X), интегрируемой с квадратом на отрезке [-l, l], тригонометрическим многочленом наилучшего среднеквадратичного приближения является тригонометрический многочлен
- •Тригонометрический многочлен (6) с коэффициентами Фурье (7) представляет собой n-ю частичную сумму ряда Фурье, сходящегося к функции f(X) на отрезке [-l, l]:
- •Порядок выполнения лабораторной работы.
- •Варианты.
- •Порядок выполнения работы.
- •Типовой отчет.
- •Варианты.
- •Порядок выполнения работы.
- •Типовой отчет.
- •Варианты.
- •Порядок выполнения работы.
- •Типовой отчет.
- •Варианты.
- •Порядок выполнения работы.
- •Типовой отчет.
- •Варианты.
- •Порядок выполнения лабораторной работы.
- •Типовой отчет.
- •Варианты.
- •Вид рабочего листа ms Excel.
- •Лабораторная работа № 14
- •Элементы теории
- •Порядок выполнения лабораторной работы.
- •Типовой отчет.
- •Варианты.
- •Вид рабочего листа ms Excel.
- •Заключение
- •Литература
- •Часть 2
Порядок выполнения работы.
Пример. Функция f(x) определена таблицей
xi |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
yi |
2 |
2,69 |
3,1 |
3,39 |
3,61 |
Требуется аппроксимировать функцию у = f(x) алгебраическими многочленами наилучшего среднеквадратичного приближения Qn(x), n = 0 4 и оценить погрешности каждого приближения.
Вид рабочего листа MS Excel приведен на рисунке.
1. В диапазоне
A2:F13
оформляем таблицу для вычисления функций
gk(x),
в которой также рассчитаем квадраты
этих функций. Одновременно в диапазоне
A15:F19
оформим таблицу для квадратов норм
функций gk(x),
коэффициентов a,
ak
,
bk
, коэффициентов
Фурье Ck
. В диапазонах А2:А13
и А15:А19
размещаем заголовки строк. В диапазон
А2:F3
копируем
заданную таблицей функцию f(x)
. В диапазоне B4:F4
задаем
функцию g0(x)
= 1 при всех
x.
В диапазоне В15:F15
задаем номера приближений от 0
до 4.
Вычисляем квадраты значений функций
gk(x):
ячейка В9 =
"=B4^2" и
протягиваем формулу в диапазон В9:F13.
Вычисляем квадраты норм функций
gk(x)
по формуле
:
ячейка В16 =
"=СУММ(B9:F9)" (квадрат
нормы g0)
, ячейка C16
= "=СУММ(B10:F10)" (квадрат
нормы g1)
, ячейка D16
= "=СУММ(B11:F11)" (квадрат
нормы g2)
, ячейка E16
= "=СУММ(B12:F12)" (квадрат
нормы g3)
, ячейка F16
= "=СУММ(B13:F13)" (квадрат
нормы g4).
Вычисляем коэффициент
а
по формуле
:
ячейка С17 =
"=СУММ(B2:F2)/5".
Определяем значения функции g1
(х) = x
- a:
ячейка В5 =
"=B2-$C$17" и
протягиваем формулу в диапазон C5:F5.
При этом автоматически вычисляется
квадрат нормы функции g1
.
Вычисляем коэффициент
:
ячейка D17
= "=СУММ(B2:F2*B10:F10)/C16".
Здесь использована операция перемножения
соответствующих элементов двух
диапазонов. После ввода формулы необходимо
перенести курсор в строку формул и
одновременно нажать Ctrl+Shift+Enter.
После этого выражение в строке формул
заключается в фигурные скобки, что
является признаком операции над
массивами. Вычисляем коэффициент
:
ячейка D18
= "=СУММ(B2:F2*B4:F4*B5:F5)/B16" (использована
операция над массивами). Определяем
значения функции
:
ячейка В6 =
"=(B2-$D$17)*B5-$D$18*B4"
и протягиваем формулу в диапазон C6:F6.
При этом автоматически вычисляется
квадрат нормы функции g2
.
Вычисляем коэффициент
:
ячейка E17
= "=СУММ(B2:F2*B11:F11)/D16" (использована
операция над массивами). Вычисляем
коэффициент
:
ячейка Е18 =
"=СУММ(B2:F2*B5:F5*B6:F6)/C16" (использована
операция над массивами). Определяем
значения функции
:
ячейка В7 =
"=(B2-$E$17)*B6-$E$18*B5"
и протягиваем формулу в диапазон C7:F7.
При этом автоматически вычисляется
квадрат нормы функции g3
.
Вычисляем коэффициент
:
ячейка F17
= "=СУММ(B2:F2*B12:F12)/E16" (использована
операция над массивами). Вычисляем
коэффициент
:
ячейка F18
= "=СУММ(B2:F2*B6:F6*B7:F7)/D16" (использована
операция над массивами). Определяем
значения функции
:
ячейка В8 =
"=(B2-$F$17)*B7-$F$18*B6"
и протягиваем формулу в диапазон C8:F8.
При этом автоматически вычисляется
квадрат нормы функции g4
.
По формуле (4) вычисляем коэффициенты Фурье: ячейка В19 = "=СУММ(B3:F3*B4:F4)/B16" (коэффициент С0 ), ячейка С19 = "=СУММ(B3:F3*B5:F5)/C16" (коэффициент С1 ), ячейка D19 = "СУММ(B3:F3*B6:F6)/D16" (коэффициент С2 ), ячейка E19 = "=СУММ(B3:F3*B7:F7)/E16" (коэффициент С3 ), ячейка F19 = "=СУММ(B3:F3*B8:F8)/F16" (коэффициент С4 ). Здесь использованы операции над массивами.
2. Оформляем таблицу для вычисления значений многочленов наилучшего приближения. В диапазоне А21:А26 располагаем заголовки строк. В диапазон В21:F21 копируем значения аргумента х. Воспользуемся преобразованным вариантом вычисления значений многочленов:
.
Ячейка В22 = "=$B$19*B4" и протягиваем формулу в диапазон C22:F22 (значения Q0 (x)). Ячейка В23 = "=B22+$C$19*B5" и протягиваем формулу в диапазон C23:F23 (значения Q1 (x)). Ячейка В24 = "=B23+$D$19*B6" и протягиваем формулу в диапазон C24:F24 (значения Q2 (x)). Ячейка В25 = "=B24+$E$19*B7" и протягиваем формулу в диапазон C25:F25 (значения Q3(x)). Ячейка В26 = "=B25+$F$19*B8" и протягиваем формулу в диапазон C26:F26 (значения Q4(x)).
3. Определяем оценку
точности приближений. Сначала вычисляем
квадрат нормы функции f(x)
по формуле
:
ячейка В28 =
"=СУММ(B3:F3*B3:F3)" (использована
операция над массивами). Воспользуемся
преобразованным вариантом вычисления
квадрата наименьшего среднеквадратичного
отклонения аппроксимационных многочленов:
.
Ячейка В30
= "=B28-B19^2*B16"
(вычисление d2(
f,
Q0
)),
С30 =
"=B30-C19^2*C16"
(вычисление d2(
f,
Q1
)),
протягиваем формулу из С30
в диапазон
D30:F30
(вычисление
d2(
f,
Qn
)).
По формуле
вычисляем
оценку точности полученных приближений:
ячейка В31 =
"=КОРЕНЬ(B30/$B$28)"
и протягиваем формулу в диапазон С31:F31.
Теоретически d2(
f,
Q4
) =
0 , но в
силу округления ЭВМ последнего разряда
чисел может получится значение d2(
f,
Q4
)
незначительно
отличающееся от нуля, в частности,
отрицательное. Это приведет к ошибке
вычисления корня в ячейке F31.
В этом случае в ячейке F31
аргумент корня можно взять по модулю
(функция ABS).
4. Строим графики полученных приближений по массиву данных A21:F26 с помощью мастера диаграмм, используя точечную диаграмму со значениями, соединенными сглаженными значениями без маркеров, и применяя соответствующее форматирование. Многочлен наилучшего среднеквадратичного приближения Q4(x) проходит через все пять заданных точек функции, так как является многочленом 4-го порядка. Поэтому можно графически оценивать точность полученных приближений меньших порядков по расхождению их графиков с графиком функции Q4(x) = f(x).
