- •Лекция 1 Приближённые методы решения слау
- •В) Метод Гаусса. (Метод последовательного исключения переменных)
- •Прямой ход.
- •Формулы прямого хода
- •Обратный ход
- •Формулы обратного хода.
- •Интерполяция, аппроксимация.
- •Оценка погрешности:
- •Приближённое интегрирование функций
- •1) Интегрирование по методу прямоугольников.
- •2) Интегрирование по методу трапеций.
- •3) Интегрирование по методу Симпсона.
- •2.1) Отделение корней.
- •Уточнение корней до заданной точности.
- •1) Метод половинного деления (дихотомии).
- •2) Метод хорд.
- •2) Метод Ньютона (касательных).
- •4) Комбинированный метод (хорд и касательных).
- •Постановка задачи.
- •1Ый усовершенствованный метод Эйлера.
- •2Oй усовершенствованный метод Эйлера.
- •С.) Метод Рунге-Кутта. (4го порядка)
- •D). Метод Рунге–Кутта 3-го порядка
- •Многошаговые методы.
Постановка задачи.
Дано дифференциальное уравнение первого порядка: у′ = f(x,y) (1).
Требуется найти решение этого уравнения на отрезке [x0, xmax], удовлетворяющее начальным условиям: у(х0) = у0 (2).
В вычислительной практике более предпочтительным являются численные методы нахождения приближённого решения в фиксированных точках: х0<x1<…<xn=xmax.
Большинство численных методов решения задачи (1) с начальными условиями (2) можно привести к виду: (3).
― при r = 1, а1 = 1, b0 = 0 методы вида (3) называются одношаговыми ( чтобы найти yi+1
требуется информация только о предыдущей точке (xi, yi)).
― при r > 1 и b0 = 0 ― явными многошаговыми.
― при r > 1 и b0 ≠ 0 ― неявными многошаговыми.
Многошаговость нарушает однородность вычислительного процесса, используя для получения недостающей информации другие вычислительные схемы ( например, одношаговые).
А) Метод Эйлера.
х |
x0 |
x1 |
… |
хn |
y |
y0 |
y1 |
… |
yn |
строится по формулам: yk+1 = yk + h∙f(xk,yk)
xk+1 = xk + h, k = 0,…,n-1, h=(xn-x0)/n (4)
Абсолютная погрешность формулы (4) на каждом шаге имеет порядок h2
(5)
Формула (4) означает, что на отрезке [xk, xk+1] интегральная кривая y = y(x) приближённо заменяется прямолинейным отрезком, выходящим из точки М(хk;уk) с угловым коэффициентом f(хk;уk). В качестве приближения искомой интегральной кривой получаем ломаную линию с вершинами в точках М0(х0;у0), М1(х1;у1),…, Мn(хn;уn). Первое звено касается истинной интегральной кривой в точке М0(х0;у0).
Метод Эйлера может быть применён к решению системы ОДУ и ДУ высших порядков. Последние должны быть предварительно приведены к системе ОДУ первого порядка.
Пусть задана система ОДУ первого порядка: (6)
с начальными условиями: у(х0) = у0, z(х0) = z0 (7)
Приближённые значения у(хi) ≈ yi, z(хi) ≈ zi вычисляются по формулам:
(8)
Метод Эйлера обладает двумя существенными недостатками:
1) малой точностью (метод первого порядка точности);
2) систематическое накопление ошибок.
В) Модификации метода Эйлера.
1Ый усовершенствованный метод Эйлера.
Сначала вычисляют промежуточные значения:
(9)
А затем полагают: (10)
2Oй усовершенствованный метод Эйлера.
Сначала определяют «грубые приближения»: (11)
И приближённо полагают: (12)
Локальная погрешность на i-ом шаге: . Оценка погрешности в точке хn может быть получена с помощью двойного просчёта (с шагом h и h/2):
(13)