Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. - Численные методы
.pdfН.С.Бахвалов, Н.П.Жидков, Г.М.Кобельков
ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ
Данная книга представляет собой переработанный вариант учебного пособия «Численные методы» тех же авторов, вышедшего в 1987 году. Добавлен материал, относящийся к решению систем линейных уравнений с плохо обусловленными матрицами, решению задачи Коши для систем жестких обыкновенных дифференциальных уравнений, аппроксимации функций, методу сопряженных градиентов. Видоизменено изложение оптимального линейного итерационного процесса и рассмотрен многосеточный итерационный метод — один из наиболее применяемых в настоящее время методов решения сеточных краевых задач.
|
Содержание |
|
Предисловие |
7 |
|
Введение |
8 |
|
1 |
Погрешность результата численного решения задачи |
17 |
§ 1. Источники и классификация погрешности |
17 |
|
§ 2. Запись чисел в ЭВМ |
21 |
|
§ 3. Абсолютная и относительная погрешности. Формы записи данных |
22 |
|
§ 4. О вычислительной погрешности |
25 |
|
§ 5. Погрешность функции |
27 |
|
§ 6. Обратная задача |
32 |
|
2 |
Интерполяция и численное дифференцирование |
35 |
§ 1 Постановка задачи приближения функций |
36 |
|
§ 2. Интерполяционный многочлен Лагранжа |
39 |
|
§ 3. Оценка остаточного члена интерполяционного многочлена Лагранжа |
43 |
|
§ 4. Разделенные разности и их свойства |
43 |
|
§ 5. Интерполяционная формула Ньютона с разделенными разностями |
45 |
|
§ 6. Разделенные разности и интерполирование с кратными узлами |
48 |
|
§ 7. Уравнения в конечных разностях |
51 |
|
§ 8. Многочлены Чебышева |
58 |
|
§ 9. Минимизация оценки остаточного члена интерполяционной формулы |
62 |
|
§ 10. Конечные разности |
65 |
|
§ 11. Интерполяционные формулы для таблиц с постоянным шагом |
68 |
|
§ 12. Составление таблиц |
71 |
|
§ 13. О погрешности округления при интерполяции |
74 |
|
§ 14. Применения аппарата интерполирования. Обратная интерполяция |
75 |
|
§ 15. Численное дифференцирование |
76 |
|
§ 16. О вычислительной погрешности формул численного |
83 |
|
|
дифференцирования |
|
§ 17. Рациональная интерполяция |
84 |
|
3 Численное интегрирование |
86 |
|
§1. Простейшие квадратурные формулы. Метод неопределенных |
86 |
|
|
коэффициентов |
|
§ 2. Оценки погрешности квадратуры |
89 |
|
§ 3. Квадратурные формулы Ньютона— Котеса |
94 |
|
§ 4. Ортогональные многочлены |
99 |
|
§ 5. Квадратурные формулы Гаусса |
106 |
|
§ 6. Практическая оценка погрешности элементарных квадратурных |
113 |
|
|
формул |
|
§ 7. Интегрирование быстро осциллирующих функций |
116 |
|
§ 8. Повышение точности интегрирования за счет разбиения отрезка на |
119 |
|
|
равные части |
|
§9. О постановках задач оптимизации |
124 |
|
§ 10. Постановка задачи оптимизации квадратур |
129 |
|
§11. Оптимизация распределения узлов квадратурной формулы |
130 |
|
§ 12. Примеры оптимизации распределения узлов |
137 |
|
§ 13. Главный член погрешности |
140 |
|
§14. Правило Рунге практической оценки погрешности |
144 |
|
§ 15. Уточнение результата интерполяцией более высокого порядка |
148 |
|
|
точности |
|
§ 16. Вычисление интегралов в нерегулярном случае |
150 |
|
§ 17. Принципы построения стандартных программ с автоматическим |
157 |
|
|
выбором шага |
|
4 |
Приближение функций и смежные вопросы |
164 |
§ 1. Наилучшие приближения в линейном нормированном пространстве |
164 |
|
§ 2. Наилучшее приближение в гильбертовом пространстве и вопросы, |
166 |
|
|
возникающие при его практическом построении |
|
§ 3. Тригонометрическая интерполяция. Дискретное преобразование |
171 |
|
|
Фурье |
|
§ 4. Быстрое преобразование Фурье |
175 |
|
§ 5. Наилучшее равномерное приближение |
178 |
|
§ 6. Примеры наилучшего равномерного приближения |
181 |
|
§ 7. О форме записи многочлена |
187 |
|
§ 8. Интерполяция и приближение сплайнами |
191 |
|
5 Многомерные задачи |
201 |
|
§ 1. Метод неопределенных коэффициентов |
202 |
|
§ 2. Метод наименьших квадратов и регуляризация. |
203 |
|
§ 3. Примеры регуляризации |
206 |
|
§ 4. Сведение многомерных задач к одномерным |
212 |
|
§ 5. Интерполяция функций в треугольнике |
220 |
|
§ 6. Оценка погрешности численного интегрирования на равномерной |
222 |
|
|
сетке |
|
§ 7. Оценка снизу погрешности численного интегрирования |
225 |
|
§ 8. Метод Монте-Карло |
232 |
|
§ 9. Обсуждение правомерности использования недетерминированных |
236 |
|
|
методов решения задач |
|
§ 10. Ускорение сходимости метода Монте-Карло |
239 |
|
§ 11. О выборе метода решения задачи |
243 |
|
6 |
Численные методы алгебры |
250 |
§ 1. Методы последовательного исключения неизвестных |
253 |
|
§ 2. Метод отражений |
262 |
|
§ 3. Метод простой итерации |
265 |
|
§ 4. Особенности реализации метода простой итерации на ЭВМ |
268 |
|
§ 5. δ 2 -процесс практической оценки погрешности и ускорения |
271 |
|
|
сходимости |
|
§6. Оптимизация скорости сходимости итерационных процессов |
275 |
|
§ 7. Метод Зейделя |
285 |
|
§ 8. Метод наискорейшего градиентного спуска |
290 |
|
§ 9. Метод сопряженных градиентов |
294 |
|
§ 10. Итерационные методы с использованием спектрально- |
300 |
|
|
эквивалентных операторов |
|
§11. Погрешность приближенного решения системы уравнений и |
304 |
|
|
обусловленность матриц. Регуляризация |
|
§ 12. Проблема собственных значений |
315 |
|
§ 13. Решение полной проблемы собственных значений при помощи QR- |
320 |
|
|
алгоритма |
|
7 |
Решение систем нелинейных уравнений и задач оптимизации |
324 |
|
§ 1. Метод простой итерации и смежные вопросы |
326 |
||
§ 2. Метод Ньютона решения нелинейных уравнений |
330 |
||
§ 3. |
Методы спуска |
336 |
|
§ 4. |
Другие методы сведения многомерных задач к задачам меньшей |
341 |
|
|
|
размерности |
|
§ 5. |
Решение стационарных задач путем установления |
345 |
|
§ 6. |
Как оптимизировать ? |
352 |
|
8 |
Численные методы решения задачи Коши для обыкновенных |
360 |
|
|
|
дифференциальных уравнений |
|
§ 1. Решение задачи Коши с помощью формулы Тейлора |
361 |
||
§ 2. Методы Рунге— Кутта |
363 |
||
§ 3. Методы с контролем погрешности на шаге |
369 |
||
§ 4. Оценки погрешности одношаговых методов |
371 |
||
§ 5. |
Конечно-разностные методы |
376 |
|
§ б. Метод неопределенных коэффициентов |
379 |
||
§ 7. |
Исследование свойств конечно-разностных методов на модельных |
383 |
|
|
|
задачах |
|
§ 8. |
Оценка погрешности конечно-разностных методов |
388 |
|
§ 9. |
Особенности интегрирования систем уравнений |
396 |
|
§ 10. Методы численного интегрирования уравнений второго порядка |
409 |
||
§11. Оптимизация распределения узлов интегрирования |
412 |
||
9 |
Численные методы решения краевых задач для обыкновенных |
417 |
|
дифференциальных уравнений |
|
§ |
1. Простейшие методы решения краевой задачи для уравнений второго |
417 |
|
порядка |
|
§ 2. Функция Грина сеточной краевой задачи |
423 |
|
§ 3. Решение простейшей краевой сеточной задачи |
428 |
|
§ 4. Замыкания вычислительных алгоритмов |
436 |
|
§ 5. Обсуждение постановок краевых задач для линейных систем первого |
444 |
|
порядка |
|
|
§ 6. Алгоритмы решения краевых задач для систем уравнений первого |
449 |
|
порядка |
|
|
§ 7. Нелинейные краевые задачи |
|
455 |
§ 8. Аппроксимации специального типа |
|
461 |
§ 9. Конечно-разностные методы отыскания собственных значений |
473 |
|
§ 10. Построение численных методов с помощью вариационных |
476 |
|
принципов |
|
|
§ 11. Улучшение сходимости вариационных методов в нерегулярном |
485 |
|
случае |
|
|
§ 12. Влияние вычислительной погрешности в зависимости от |
|
|
формы записи конечно-разностного уравнения |
488 |
|
10 Методы решения уравнений в частных производных |
495 |
|
§ 1. Основные понятия теории метода сеток. |
497 |
|
§ 2. Аппроксимация простейших гиперболических задач |
505 |
|
§ 3. Принцип замороженных коэффициентов |
521 |
|
§ 4. Численное решение нелинейных задач с разрывными решениями |
524 |
|
§ 5. Разностные схемы для одномерного параболического уравнения |
528 |
|
§ 6. Разностная аппроксимация эллиптических уравнений |
543 |
|
§ 7. Решение параболических уравнений с несколькими |
566 |
|
пространственными переменными |
|
|
§ 8. Методы решения сеточных эллиптических уравнений |
580 |
|
11 Численные методы решения интегральных уравнений |
599 |
|
§1. Решение интегральных уравнений методом замены интеграла |
599 |
|
квадратурной суммой |
|
|
§ 2. Решение интегральных уравнений с помощью замены ядра на |
604 |
|
вырожденное |
|
|
§ 3. Интегральные уравнения Фредгольма первого рода |
608 |
|
Заключение |
|
617 |
Список литературы |
|
622 |
Предметный указатель |
|
627 |
Предметный указатель |
|
|
Алгоритм ненасыщаемый, 65 |
Весовая функция, 89 |
|
Аппроксимация, 379 |
Восполнение, 559 |
|
дифференциального уравнения |
Выделение весовой функции, 151 |
|
разностной схемой, 379 |
Гарантированные оценки |
|
Большое число, 23 |
погрешности на классе |
|
Валле-Пуссена теорема, 179 |
функций, 232 |
|
Вариация, 522 |
Главный член погрешности, 140 |
|
Верная цифра, 23 |
Дивергентность разностной |
схемы, |
527
Дискретные коэффициенты Фурье,
173
Дифференцирование численное, 76 Замыкание алгоритма, 437 нерегулярное, 437 регулярное, 437 Значащие цифры, 23 Интегрирование
осциллирующих функций, 116 системы уравнений, 396 Интерполирование, 36 с кратными узлами, 49
Интерполяционная формула Лагранжа, 41 Ньютона, 46
для интерполирования назад, 69 для интерполирования вперед, 69 Интерполяция, 36 квадратичная, 72 линейная, 71 тригонометрическая, 173
Итерационные методы построения многочлена наилучшего равномерного приближения с использованием спектрально эквивалентных операторов, 300
Квадратуры Гаусса, 106 Грегори, 143 Лобатто, 111
Ньютона—Котеса, 94 Ромберга, 149 Симпсона, 88 Филона, 117 Эйлера, 142 обобщенные, 122 прямоугольников, 86 составные, 122 трапеций, 87
Количество арифметических операций, 41
Конечно-разностное уравнение, 51 Конечно-разностные
методы, 376 схемы, 376
Ленточная структура, 257 Линейная оценка погрешности, 28 Линейное разностное уравнение, 52 Мажорирующее разностное
уравнение, 488 Матрица Грама, 167
ортогонализации, 100 отражений, 262 Мера обусловленности матрицы, 305 системы, 305
погрешности аппроксимации, 504 Метод Адамса, 378 Гаусса, 253 Зейделя, 290
Монте-Карло, 232 Ньютона решения нелинейных
уравнений, 330 Ритца, 477 Рунге—Кутта, 363 Эйлера, 363
вариационно-разностный, 479 верхней релаксации, 290 вилки, 336 квадратного корня, 259
конечных элементов, 558 наименьших квадратов, 203 наискорейшего спуска, 290 неопределенных коэффициентов, 39,
202
оврагов, 342 оптимальный, 63 парабол, 336
покоординатного спуска, 288 пристрелки, 429 прогонки, 430
проекционно-разностный, 561 простой итерации, 265, 326 регуляризации, 205
релаксации, 289 сверхрелаксации, 290 секущих, 335 сопряженных градиентов, 294 спуска, 336 стрельбы, 449
суммарной аппроксимации, 579 циклической прогонки, 434 штрафа, 340 Методы
интерполяционные, 376 экстраполяционные, 376 Многочлен наилучшего
равномерного приближения, 178 Многочлены Лагерра, 104 Лежандра, 104 Чебышева, 58 второго рода, 104 первого рода, 104 Эрмита, 104 Якоби, 103
наименее уклоняющиеся от нуля, 60 Наилучшее равномерное
приближение, 178 Недетерминированный метод, 242 Некорректные задачи, 608 Неравенство Бесселя, 169 Чебышева, 233 ε -неравенство, 537
Неустойчивость, 35 Неявная схема, метод, 376, 530 Норма энергетическая, 555 Нормы векторов и матриц, 250
эквивалентные, 266 Область зависимости, 498
сходимости метода, 358 Обобщенное решение, 562 Обратная интерполяция, 76 Обратный ход метода Гаусса, 254
прогонки, 431 Обусловленность матрицы системы, 305 системы, 305 Однородные схемы, 469
Односторонние формулы численного дифференцирования, 80
Одношаговые методы численного интегрирования, 371
Оператор расщепляющийся, 573 Оптимальные квадратуры, 129 Оптимальный линейный итерационный процесс,
279, 283
по порядку итерационный процесс, 42, 63
Оптимизация методов, 63 оценки погрешности
интерполирования, 63 распределения узлов интегрирования.
131 скорости сходимости итерационного
процесса, 275 Ортогональная система, 99 Ортогональные многочлены, 101 Ортонормированная система
элементов, 101 Остаточный член формулы Лагранжа,
43
Очень большое число. 23 Параметр регуляризации, 611 Переобуславливатель, 301 Планирование эксперимента, 37 Плохо обусловленные системы, 307
Повышение порядка точности разностной схемы, 419
Погрешность абсолютная, 22
аппроксимации дифференциального уравнения разностной схемой, 504, 534
вычислительная, 17 квадратуры на классе функций, 129
математической модели, 17 метода, 17 на классе задач, 63 на шаге, 371
неустранимая, 17 относительная, 22 предельная, 27 Порядок метода, 329
погрешности аппроксимации, 380 Почти собственные значения, 270 Преобразование Фурье быстрое, 175 дискретное, 173
Принцип замороженных коэффициентов, 521
Проблема собственных значений полная, 315 частичная, 315
δ 2-процесс ускорения сходимости, 273
Прямое произведение формул интегрирования, интерполирования, дифференцирования, 219
Прямой ход метода Гаусса, 254 прогонки, 431 Разности вперед, 65
высшего порядка, 65 конечные. 65 назад, 65 разделенные, 43 центральные, 65
Разностная схема, 377 экономичная, 568
Ряд Фурье дискретный, конечный,
173
Сеточная функция Грина, 423 Сжатое отображение, 326 Симметризация системы уравнений,
276
Система жесткая, 398 Слой, 530
Согласованные нормы, 501 Спектральная эквивалентность, 300 Спектральный признак устойчивости,
506, 515
Сплайн, 191 интерполяционный, 197 локальный, 198 Стандартные программы, 47
Строго нормированное пространство,
165
Схема Эйткена, 47 Схемы, точные на решениях
специального вида, 461 Сходимость, 501 Таблица разделенных разностей. 45 Теорема Валле-Пуссена, 179 Чебышева, 179
Точки чебышевского альтернанса,
179
Триангуляции, 558 Тригонометрическая интерполяция,
173
Узел внутренний, 544 граничный, 544
нерегулярный, 551 приграничный, 544 регулярный, 551 сетки, 543 Узлы интерполяции, 36
Уравнения в конечных разностях, 51 Условие
α , 386
сильной минимальности, 565 Устойчивость, 503 безусловная, 532 по начальным данным, 535 условная, 532 Формула Абеля, 467 Ромберга, 149 Симпсона, 88 Филона, 117
прямоугольников, 86 с кратными узлами, 96 трапеций, 87 Формулы Адамса, 363, 378
Грегори, 143 численного дифференцирования, 76
Функция сильно растущая, 23 Характеристическое уравнение, 55 разностной схемы, 384 Хорошо
обусловленная (поставленная) краевая задача, 448
обусловленные системы, 307 Шаблон, 507 Шаг таблицы, 65
Экстраполяция, 36 Элемент наилучшего приближения,
165
Элементарный треугольник, 558 Энергетическое неравенство, 538 тождество, 537 Явная схема, 376, 529
Явный метод, 376, 529