Решение алгебраических и трансцендентных уравнений




НазваниеРешение алгебраических и трансцендентных уравнений
страница6/27
Дата21.05.2013
Размер2.1 Mb.
ТипРешение
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   27

Общая схема


построения различных методов численного интегрирования такова:

1.Отрезок [a,b] разбивают на k равных частей:

a=d01<…k=b, di=a+i*h, где h=(b-a)/k.

2.Интеграл по всему отрезку [a,b] разбивается на сумму интегралов по получившимся отрезкам [di,di+1] при i=0,1,2,…,k-1.

3.На каждом из маленьких отрезков интеграл приближенно вычисляют по формулам (3.1),причем узлы и веса при этом выбираются по одинаковому закону, который мы будем называть ШАБЛОНОМ квадратурной формулы. Количество узлов в шаблоне обычно колеблется от 1 до 5, а самый широко распространенный на практике метод Симпсона имеет в шаблоне 3 узла.

Как правило, при построении шаблона квадратурной формулы узлы выбираются равномерно распределенными по отрезку, а веса получаются при интегрировании вспомогательных многочленов Лагранжа с выбранными узлами. Построенные таким образом формулы носят общее название формул Ньютона-Котеса.

Поясним правило определения весов в формулах Ньютона-Котеса



Здесь функция f(x) заменяется на интерполяционный многочлен Рn(X), а он записывается в виде линейной комбинации вспомогательных многочленов Лагранжа, которые не зависят от функции f(X) (!).

Рассмотрим кратко наиболее простые квадратурные формулы.
  1. МЕТОД ПРЯМОУГОЛЬНИКОВ.


Шаблон интегрирования содержит один узел, интерполяционный многочлен имеет нулевую степень. Узел выбирают в середине отрезка (возможен выбор узла и в каком-нибудь конце отрезка, но точность при этом будет хуже). Узел Х0 на отрезке [di,di+1] задается формулой Х0=(di+di+1)/2=a+(i+0.5)*h, a интеграл заменяется на выражение h*f(X0).

Упражнение 3.1.Выяснить геометрический смысл такой замены.

Квадратурная формула метода прямоугольников имеет вид:


  1. МЕТОД ТРАПЕЦИЙ.


Шаблон содержит два узла, которые расположены по краям отрезка [di,di+1], интерполяционный многочлен имеет первую степень. На отрезке [di,di+1] узлы задаются формулами: Х0=di=a+ih; X1=a+(i+1)*h, где i=0,1,2,...,k-1.

Формула шаблона метода трапеций принимает вид:



Упражнение 3.2.Выяснить геометрический смысл полученной формулы.

Упражнение 3.3.Пользуясь правилом получения весов, вывести самостоятельно формулу шаблона метода трапеций.

Складывая, получаем квадратурную формулу метода трапеций:


  1. МЕТОД СИМПСОНА.


Шаблон содержит 3 узла, которые расположены по краям и в середине отрезка [di,di+1]; интерполяционный многочлен имеет вторую степень. Геометрический смысл метода в том, что заменяем график функции на параболу, пересекающуюся с ним в концах и середине отрезка, а площадь криволинейной трапеции, соответственно, - на площадь под параболой.

Для того, чтобы вычислить значения весов мы произведем сдвиг отрезка длины h к началу координат (замена переменной, при которой интегралы от вспомогательных многочленов Лагранжа не изменяются) и будем считать, что узлы – Х0=-0.5h, X1=0, X2=0.5h. Тогда вспомогательные многочлены Лагранжа имеют вид:



Откуда, интегрируя по отрезку [-h/2,h/2], получаем:




Итак, формула для ШАБЛОНА метода Симпсона имеет вид:



Складывая получившиеся отрезках [di,di+1] результаты, имеем:



Упражнение 3.4.Написать на одном из языков программу численного интегрирования каждым из трех методов.

ПРИМЕР. Вычислим методом прямоугольников, трапеций и Симпсона при n=2 и сравним погрешности вычислений (точный ответ равен 6.4).

В методе ПРЯМОУГОЛЬНИКОВ имеем: Ih(f(0+0.5h)+f(0+1.5h))=f(0.5)+f(1.5)=82/16.

При этом получаем погрешность 6.4 - 5.125 =1.275

В методе ТРАПЕЦИЙ имеем: Ih/2(f(0)+f(2))+h*f(0+h)=1/2*(0+16)+f(1)=8+1=9.

Погрешность получается равной 2.6.

В методе СИМПСОНА имеем: Ih/6(f(0)+f(2))+h/3*f(0+h)+2h/3*(f(0+0.5h)+f(0+1.5h)) =16/6+1/3+2/3(82/16)=3+41/126.417

Погрешность получается равной 6.417-6.4=0.017

На многих других примерах можно столь же наглядно убедиться, сколь велико преимущество метода Симпсона над методами прямоугольников и трапеций в смысле точности результата. В то же время организация вычислений весьма проста, что и обуславливает широкое применение на практике этого метода.

Теоретические оценки погрешности для представленных трех методов следующие:

для метода прямоугольников |r|  M2*(b-a)*h2/24;

для метода трапеций |r|  M2*(b-a)*h2/12;

для метода Симпсона |r|  M4*(b-a)*h4/180.

,где М2 и М4 –соответственно максимумы модуля второй и четвертой производных интегрируемой функции на отрезке интегрирования. Однако в реальных задачах, как правило, бывает затруднительно или совсем невозможно пользоваться этими формулами, поскольку значение максимумов производных трудно, а порой и невозможно вычислить или даже оценить.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   27

Похожие:

Решение алгебраических и трансцендентных уравнений iconВопросы к вступительному экзамену в аспирантуру по специальности
Однородные системы линейных алгебраических уравнений. Решение систем линейных уравнений с помощью метода Гаусса
Решение алгебраических и трансцендентных уравнений iconТехнология решения систем линейных алгебраических уравнений в распределенной вычислительной среде
Рассматривается технология решения больших систем линейных алгебраических уравнений вида
Решение алгебраических и трансцендентных уравнений iconТема №121: Методика обучения решению тригонометрических уравнений и неравенств Примерное содержание
Решение уравнений вида tg t = m. Арктангенс. Методы решения тригонометрических уравнений. Однородные уравнения. Решение тригонометрических...
Решение алгебраических и трансцендентных уравнений iconРешение систем линейных алгебраических уравнений
Матрицы. Линейные операции над матрицами: сложение и вычитание матриц, умножение матрицы на число. Умножение матриц
Решение алгебраических и трансцендентных уравнений iconОбласть применения компьютеров для решения разнообразных задач по обработке информации быстро расширяется. Можно выделить три вида информации и соответственно
Вычислительные задачи, связанные с обработкой числовой информации, например, решение систем линейных алгебраических уравнений
Решение алгебраических и трансцендентных уравнений icon«Нестандартные методы решения уравнений» Заяц Светлана Александровна
Решение некоторых уравнений сведением их к решению систем уравнений относительно новых неизвестных
Решение алгебраических и трансцендентных уравнений iconТема: Решение тригонометрических уравнений (Т. У.)
Методические приёмы: сообщения учащихся, представление нового материала путём поиска решений уравнений, самостоятельная работа по...
Решение алгебраических и трансцендентных уравнений iconРадиофизический факультет
Ип в различных системах. Также содержание дисциплины направлено на обучение студентов основам решения задач линейной алгебры, решения...
Решение алгебраических и трансцендентных уравнений iconПрямые методы решения систем линейных алгебраических уравнений

Решение алгебраических и трансцендентных уравнений iconРешение этой системы уравнений подтверждает математическое предвидение A. Beal и связь этого предвидения с элементарным
Предлагаю Вашему вниманию решение этой проблемы как решение системы уравнений A. Beal и P. Fermat
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница