- •Часть 2
- •Раздел 1. Элементы теории погрешностей 7
- •Раздел 2. Решение систем линейных алгебраических уравнений 15
- •Раздел 3. Численное решение нелинейных уравнений 43
- •Раздел 4. Решение систем нелинейных уравнений 54
- •Раздел 5. Аппроксимация функций 60
- •Раздел 6. Численное интегрирование 81
- •Раздел 7. Численное дифференцирование 97
- •Раздел 8. Обыкновенные дифференциальные уравнения 106
- •Основы численных методов введение
- •1. Этапы решения технических задач на эвм
- •2. Методы реализации математических моделей
- •Раздел 1. Элементы теории погрешностей
- •1.1. Постановка задачи
- •1.2. Источники погрешностей
- •1.3. Приближенные числа и оценка их погрешностей
- •1.4. Правила записи приближенных чисел
- •1.5. Задачи теории погрешностей
- •1.6. Понятия устойчивости, корректности постановки задач и сходимости численного решения
- •1.7. Некоторые обобщенные требования к выбору численных методов
- •Раздел 2. Решение систем линейных алгебраических уравнений
- •2.1. Основные понятия и определения
- •2.2. Методы решения слау
- •2.2.1. Прямые методы решения слау
- •1. Правило Крамера
- •2. Метод обратных матриц
- •3. Метод Гаусса
- •4. Модифицированный метод Гаусса
- •5. Метод прогонки
- •6. Метод квадратного корня
- •2.2.2. Итерационные методы решения слау
- •1. Метод простой итерации
- •2. Метод Зейделя
- •2.3. Вычисление определителей высоких порядков
- •2.4. Вычисление обратных матриц
- •2. Другой подход к определению обратной матрицы а–1
- •3. Обращение матрицы а посредством треугольных матриц
- •2.5. Применение метода итераций для уточнения элементов обратной матрицы
- •Раздел 3. Численное решение нелинейных уравнений
- •3.1. Постановка задачи
- •3.2. Отделение корней
- •3.2.1. Метод половинного деления
- •3.2.2. Графическое отделение корней
- •3.3. Итерационные методы уточнения корней
- •3.3.1. Метод простой итерации
- •3.3.2. Метод Ньютона (касательных)
- •3.3.3. Метод секущих
- •3.3.4. Метод деления отрезка пополам
- •3.3.5. Метод хорд
- •3.4. Общий алгоритм численных методов решения нелинейных уравнений
- •Раздел 4. Решение систем нелинейных уравнений
- •4.1. Постановка задачи
- •4.2. Метод простой итерации
- •4.2.1. Условия сходимости метода простой итерации для нелинейных систем уравнений второго порядка
- •4.2.2. Общий случай построения итерирующих функций
- •4.3. Метод Ньютона для систем двух уравнений
- •4.4. Метод Ньютона для систем n-го порядка с n неизвестными
- •Раздел 5. Аппроксимация функций
- •5.1. Постановка задачи
- •5.2. Интерполирование функций
- •5.3. Типовые виды локальной интерполяции
- •5.3.1. Линейная интерполяция
- •5.3.2. Квадратичная (параболическая) интерполяция
- •5.4. Типовые виды глобальной интерполяции
- •5.4.1. Интерполяция общего вида
- •5.4.2. Интерполяционный многочлен Лагранжа
- •1. Формула Лагранжа для произвольной системы интерполяционных узлов
- •2. Полином Лагранжа на системе равноотстоящих интерполяционных узлов
- •5.4.3. Интерполяционный многочлен Ньютона
- •1. Интерполяционный многочлен Ньютона для системы равноотстоящих узлов
- •2. Интерполяционный многочлен Ньютона для системы произвольно расположенных узлов
- •3. Локальная интерполяция
- •3.1. Линейная интерполяция
- •3.2. Квадратичная интерполяция
- •4. Глобальная интерполяция
- •4.1. Интерполяционный многочлен Лагранжа
- •4.2. Интерполяционный многочлен Ньютона
- •5.5. Сплайны
- •5.6. Сглаживание результатов экспериментов
- •1. Метод выбранных точек
- •2. Метод средних
- •3. Метод наименьших квадратов
- •5.7. Вычисление многочленов
- •Раздел 6. Численное интегрирование
- •6.1. Постановка задачи
- •6.1.1. Понятие численного интегрирования
- •6.1.2. Понятие точной квадратурной формулы
- •6.2. Простейшие квадратурные формулы
- •6.2.1. Формула прямоугольников
- •6.2.2. Формула трапеций
- •6.2.3. Формула Симпсона
- •6.3. Составные квадратурные формулы с постоянным шагом
- •6.3.1. Составная формула средних
- •6.3.2. Формула трапеций
- •6.3.3. Формула Симпсона
- •6.4. Выбор шага интегрирования для равномерной сетки
- •6.4.1. Выбор шага интегрирования по теоретическим оценкам погрешностей
- •6.4.2. Выбор шага интегрирования по эмпирическим схемам
- •1. Двойной пересчет
- •2. Схема Эйткина
- •3. Правило Рунге
- •4. Другие оценки погрешности
- •6.5. Составные квадратурные формулы с переменным шагом
- •6.6. Квадратурные формулы наивысшей алгебраической точности (формула Гаусса)
- •Раздел 7. Численное дифференцирование
- •7.1. Постановка задачи
- •7.2. Аппроксимация производных посредством локальной интерполяции
- •1. Формула левых разностей
- •2. Формула правых разностей
- •3. Формула центральных разностей
- •7.3. Погрешность численного дифференцирования
- •7.4. Аппроксимация производных посредством глобальной интерполяции
- •7.4.1. Аппроксимация посредством многочлена Ньютона
- •7.4.2. Вычисление производных на основании многочлена Лагранжа
- •7.5. Метод неопределенных коэффициентов
- •7.6. Улучшение аппроксимации при численном дифференцировании
- •Раздел 8. Обыкновенные дифференциальные уравнения
- •8.1. Постановка задачи
- •8.2. Задача Коши для оду
- •8.3. Численные методы решения задачи Коши
- •8.3.1. Одношаговые методы решения задачи Коши
- •1. Метод Эйлера
- •2. Метод Эйлера с пересчетом
- •3. Метод Эйлера с последующей итерационной обработкой
- •4. Метод Рунге-Кутта
- •8.3.2. Многошаговые методы решения задачи Коши
- •1. Семейство методов Адамса
- •2. Многошаговые методы, использующие неявные разностные схемы
- •3. Повышение точности результатов
2.3. Вычисление определителей высоких порядков
В отличие от технологии вычисления определителей в методе Крамера, для матриц общего вида, являющихся элементом СЛАУ, для решения этой задачи успешно может использоваться метод Гаусса. Прямой ход метода для системы позволяет вычислить
,
так как последовательное исключение элементов величину определителя не изменяет. Здесь аkk – элементы преобразованной матрицы А (прямой ход Гаусса). Знак зависит от четности или нечетности перестановок строк исходной матрицы при приведении ее к треугольному виду во избежание делении на «0» или необходимости поиска «max» ведущего элемента в текущем столбце на каждом этапе исключение неизвестных.
Для симметричных матриц
; .
2.4. Вычисление обратных матриц
1. По методу Гаусса. Всякая неособенная матрица, для которой , имеет обратную матрицу. Очевидно, что А*А–1 = Е. запишем это равенство в виде системы n уравнений с n неизвестными
; (37)
где аik – элементы матрицы А;
zkj – элементы обратной матрицы (А–1);
ij – элементы единичной матрицы.
При этом ij =
Для нахождения элементов одного столбца обратной матрицы необходимо решить соответствующую линейную систему (37) с матрицей А. Так для получения j-го столбца для А–1 (z1j, z2j,… znj) решается система:
(38)
Следовательно для обращения матрицы А нужно n раз решить систему (38) при j= . Поскольку матрица А системы не меняется, то исключение неизвестных осуществляется только один раз, а (n–1) раз при решении (38) делается только обратный ход с соответствующим изменением правой ее части.
2. Другой подход к определению обратной матрицы а–1
,
где – определитель матрицы, Аij – алгебраические дополнения соответствующих элементов матрицы А.
3. Обращение матрицы а посредством треугольных матриц
Известно, что всякая обратная матрица, если она существует, то по структуре будет такая же, как и исходная, т.к.
А–1А = АА–1 = Е = . (39)
Рассмотрим пример обращения матрицы 3-го порядка следующего вида:
А = . (40)
Решение. Матрицу А–1 ищем в виде
А–1 = . (41)
Перемножая А и А–1 с учетом (39) будем иметь t11 = 1; t11 + 2t21 = 0; 2t22 = 1;
Отсюда последовательно находим t11 = 1; t21 = –1/2; t31 = 0; t22 = 1/2; t32 = –1/3; t33 = 1/3, следовательно
А–1 = . (42)
Перемножив (42) и (40) получим (39).
Известно, что любая произвольная матрица А может быть представлена в виде двух треугольных.
Например, пусть имеется матрица
. (43)
Будем искать Т1 = и Т2 = . Диагональ в матрице Т2 искусственно берется равной 1. Тогда
A = T1 T2 . (44)
Реализуя (44) и сравнивая с (43), получим
= .
Сравнивая значения правой и левой частей и выполняя простейшие вычисления, очевидно:
t11 = 1; t11 r12 = –1; t11 r13 = 2;
t21 = –1; t21 r12 + t22 = 5; t21 r13+ t22 r23 = 4;
t31 = 2; t31 r12 + t32 = –1; t31 r13+ t32 r23 + t33 = 14;
Решив полученную систему, получим
t11 = 1; t21 = –1; t31 = 2;
t22 = 4; t32 = 6; t31 = 1;
r12 =–1; r13 = 2; r23 = 3/2.
Таким образом Т1 = и Т2 = , тогда A–1 = .