Главная » Просмотр файлов » Численные методы. Ионкин (2009)

Численные методы. Ионкин (2009) (1160433), страница 8

Файл №1160433 Численные методы. Ионкин (2009) (Численные методы. Ионкин (2009)) 8 страницаЧисленные методы. Ионкин (2009) (1160433) страница 82019-09-19СтудИзба
Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 8)

. , xm ) = 0,f (x , . . . , x ) = 0,2 1m...fm (x1 , . . . , xm ) = 0,òî òàêæå ìîæíî èñïîëüçîâàòü ìåòîä Íüþòîíà, â ýòîì ñëó÷àåI(xn )ij =∂fi (xn ),∂xji, j = 1, mÑèñòåìà â ýòîì ñëó÷àå èìååò òîò æå âèä:f (xn ) + I(xn )(xn+1 − xn ) = 0Ìåòîä ñåêóùèõÇàïèøåì ìåòîä Íüþòîíà:xn+1 = xn −Çàìåíèì â íåìf 0 (xn )íàf (xn ),f 0 (xn )x0 ∈ Ua (x∗ ),n = 0, 1, 2, . . . .f (xn )−f (xn−1 ).xn −xn−1Ïîëó÷èìxn+1xn − xn−1=x −f (xn )nn−1f (x ) − f (x )nÏîñêîëüêó â çàïèñè äàííîãî ìåòîäà ó÷àâñòâóþò òðè ïîñëåäîâàòåëüíûå èòåðàöèè (x(6)n+1, xn è xn−1 ),òî îí íàçûâàåòñÿ äâóõøàãîâûì ìåòîäîì.

Äëÿ òîãî, ÷òîáû âîñïîëüçîâàòüñÿ èì, òðåáóåòñÿ çàäàòü01äâà íà÷àëüíûõ ïðèáëèæåíèÿ (x è x ). Èõ ìîæíî ïîëó÷èòü ìåòîäîì ïðîñòîé èòåðàöèè èëèìåòîäîì Íüþòîíà.Çàìåòèì, ÷òî, èñïîëüçóÿ ìåòîä ñåêóùèõ, ìû ïîëó÷àåìxn+1ïðè ïîìîùè èíòåðïëÿöèè ôóíêxn èöèè f ïîëèíîìîì ïåðâîé ñòåïåíè (ëèíåéíîé ôóíêöèåé), èñïîëüçóÿ åå çíà÷åíèå â óçëàõxn−1 .Ñõîäèìîñòü ìåòîäà Íüþòîíà è îöåíêà ñõîäèìîñòèŸ458Ñõîäèìîñòü ìåòîäà Íüþòîíà è îöåíêà ñõîäèìîñòèÐàññàìòðèâàåòñÿ íåëèíåéíîå óðàâíåíèåf (x) = 0.(1)Çàïèøåì äëÿ íåãî ìåòîä Íüþòîíà:xn+1 = xn −f (xn ),f 0 (xn )n = 0, 1, . .

. ;x0 ∈ Ua (x∗ ).(2)Çàïèøåì ýòî ìåòîä â áîëåå îáùåì âèäå:xn+1 = S(xn ),ÒîãäàãäåS(x) = x −f (x).f 0 (x)(f 0 (x))2 − f (x)f 00 (x)f (x)f 00 (x)S (x) = 1 −=.(f 0 (x))2(f 0 (x))20S 0 (x∗ ) = 0.zn = xn − x∗ ïîãðåøíîñòü.Çàìåòèì, ÷òîÏóñòüÒîãäàz n+1 = xn+1 − x∗ = S(xn ) − S(x∗ ) = S(zn + x∗ ) − S(x∗ ).Âîñïîëüçóåìñÿ ôîðìóëîé Òåéëîðà ñ îñòàòî÷íûì ÷ëåíîì â ôîðìå Ëàãðàíæà:11z n+1 = S(x∗ ) + S 0 (x∗ )zn + S 00 (x̃n )zn2 − S(x∗ ) = S 00 (x̃n )zn2 ,22ãäåx̃n = xn + θzn , |θ| < 1.Ïóñòü ∃M > 0 òàêîå, ÷òî1 00|S (x)| ≤ M,2x ∈ Ua (x∗ ).(3)Òîãäà|zn+1 | ≤ M |zn |2 ,M |zn+1 | ≤ (M |zn |)2 .Ïðèìåíèì ýòî íåðàâåíñòâî ðåêóðñèâíî, ïîëó÷èìnM |zn | ≤ (M |z0 |)2 ,1n(M |z0 |)2 .M|zn | → 0 ⇒ xn → x∗ .|zn | ≤ÅñëèM |z0 | < 1,òî ïðèn→∞ïîëó÷àåìÒàêèì îáðàçîì, äëÿ ñõîäèìîñòè äàííîãî ìåòîäà äîñòàòî÷íî ïîòðåáîâàòü1.M(4)1n(M |x0 − x∗ |)2 .M(5)|z0 | = |x0 − x∗ | ≤Äëÿznèìååì îöåíêó|zn | = |xn − x∗ | ≤Ìû äîêàçàëè ñëåäóþùóþ òåîðåìó.Ñõîäèìîñòü ìåòîäà Íüþòîíà è îöåíêà ñõîäèìîñòèÒåîðåìà∃M > 0(îáîöåíêåòàêîå, ÷òîñêîðîñòè59ñõîäèìîñòè0 1 f (x)f 0 (x) ≤M2 (f 0 (x))2 |x0 − x∗ | ≤ìåòîäàÍüþòîíà).Ïóñòü∀x ∈ Ua (x∗ ),1.MÒîãäà ìåòîä Íüþòîíà ñõîäèòñÿ è èìååò ìåñòî îöåíêà|xn − x∗ | ≤1n(M |x0 − x∗ |)2 .MÇàìå÷àíèå.

Åñëè ìåòîä Íüþòîíà ñõîäèòñÿ, òî îí ñõîäèòñÿ î÷åíü áûñòðî.Çàìå÷àíèå. Íà÷àëüíîå ïðèáëèæåíèå äîëæíî áûòü áëèçêî ê êîðíþ (â ñîîòâåòñòâèè ñ óñëîâèåì (4)).Íàïîìíèì, ÷òî ìîäèôèöèðîâàííûé ìåòîä Íüþòîíà èìååò âèä:Äëÿ ýòîãî ìåòîäàS(x)xn+1 = xn −f (xn ).f 0 (x0 )S(x) = x −f (x).f 0 (x0 )èìååò âèäÄëÿ ýòîãî ìåòîäà àíàëîãè÷íîå óòâåðæäåíèå íå èìååò ìåñòî, èáîS 0 (x∗ ) 6= 0â îáùåì ñëó÷àå.Ãëàâà IVÐàçíîñòíûå ìåòîäû ðåøåíèÿ çàäà÷ìàòåìàòè÷åñêîé ôèçèêèŸ1Ðàçíîñòíûå ñõåìû äëÿ ïåðâîé êðàåâîé çàäà÷è äëÿ óðàâíåíèÿ òåïëîïðîâîäíîñòèÐàññìîòðèì îáëàñòüD = {(x, y) ∈ R2 : 0 < x < 1, 0 < t ≤ T } (T çàäàííîå ïîëîæèòåëüíîå÷èñëî).Çàïèøåì ïåðâóþ êðàåâóþ çàäà÷ó äëÿ óðàâíåíèÿ òåïëîïðîâîäíîñòè â ýòîé îáëàñòè:∂ 2u∂u= 2 + f (x, t), (x, t) ∈ D,∂t∂t(u(0, t) = µ1 (t),u(1, t) = µ2 (t),êðàåâûå óñëîâèÿ:(1)(2)íà÷àëüíîå óñëîâèå:u(x, 0) = u0 (x).(3)Ââåäåì ñëåäóþùèå îáîçíà÷åíèÿ:ωh = {xi = ih, i = 1, .

. . , N − 1, hN = 1},ω h = {xi = ih, i = 0, . . . , N, hN = 1},ωτ = {tj = jτ, j = 1, . . . , j0 , τ j0 = T },ω τ = {tj = jτ, j = 0, . . . , j0 , τ j0 = T },ωτ h = ωτ × ωh ,ωτ h = ωτ × ωh,uni = u(xi , tn ),fin = f (xi , tn ).Ìíîæåñòâàω∗èω∗íàçûâàþòñÿ ñåòêàìè, ýëåìåíòû ýòèõ ìíîæåñòâ óçëàìè. Çíà÷åíèÿíàçûâàþòñÿ øàãàìè ñåòêè. Âíóòðåííèìè óçëàìè íàçîâåì óçëû ñåòêèÁóäåì îáîçíà÷àòü ÷èñëåííîå ðåøåíèå ïîñòàâëåííîé çàäà÷è ÷åðåçyin = y(xi , tn ).60ωτ h .y(x, t).ÏóñòüτèhÐàçíîñòíûå ñõåìû äëÿ ïåðâîé êðàåâîé çàäà÷è äëÿ óðàâíåíèÿ òåïëîïðîâîäíîñòè61ßâíàÿ ðàçíîñòíàÿ ñõåìàÇàïèøåì ðàññìàòðèâàåìóþ çàäà÷ó:∂u∂ 2u= 2 + f (x, t), 0 < x < 1,∂t∂t(u(0, t) = µ1 (t),u(1, t) = µ2 (t),êðàåâûå óñëîâèÿ:0 < t ≤ T,(4)(5)íà÷àëüíîå óñëîâèå:u(x, 0) = u0 (x).(6)Ðàçíîñòíûé àíàëîã çàäà÷è (4) (6) èìååò âèä:ny n − 2yin + yi+1yin+1 − yin= i−1+ f (xi , tn ), (xi , tn ) ∈ ωτ h ,τh2(y0n+1 = µ1 (tn+1 ), tn+1 ∈ ω τ ,n+1yN= µ2 (tn+1 ), tn+1 ∈ ω τ ,yi0 = u0 (xi ),Ìíîæåñòâî óçëîâ{(xi , tn ), i = 0, .

. . , N }(7)(8)xi ∈ ω h .íàçûâàåòñÿn-ì(9)ñëîåì.Ïðè èçó÷åíèè ðàçíîñòíûõ ñõåì âîçíèêàþò ñëåäóþùèå âîïðîñû:1. Ñóùåñòâîâàíèå è åäèíñòâåííîñòü ðåøåíèÿ2. Ïîãðåøíîñòü àïïðîêñèìàöèè ðàçíîñòíîé ñõåìû3. Àëãîðèòì íàõîæäåíèÿ ÷èñëåííîãî ðåøåíèÿ4. Èññëåäîâàíèå óñòîé÷èâîñòè ðàçíîñòíîé ñõåìû5. Îöåíêà ñêîðîñòè ñõîäèìîñòè ðàçíîñòíîé ñõåìûÎòâåòèì íà âîïðîñû 1 è 3 äëÿ ÿâíîé ðàçíîñòíîé ñõåìû.

Ïåðåïèøåì (7) â âèäåτ nn(y − 2yin + yi+1) + τ fin , i = 1, . . . , N − 1.h2 i−1óçëàõ (i = 0, i = N ) çàäàíû ôîðìóëàìè (8). Çíà÷åíèÿ yyin+1 = yin +Çíà÷åíèÿyâ ãðàíè÷íûõ(10)ïðèn=0 ôîðìóëîé (9). Òàêèì îáðàçîì, ðåøåíèå ÿâíîé ðàçíîñòíîé ñõåìû ñóùåñòâóåò è åäèíñòâåííî èâûïèñàí àëãîðèòì åãî íàõîæäåíèÿ. Çàäà÷à ðåøàåòñÿ ïî ñëîÿì, ò.å. çíà÷åíèÿ íàíàõîäÿòñÿ ïî ÿâíîé ôîðìóëå ïî èçâåñòíûì çíà÷åíèÿì íànÎïðåäåëèì ïîãðåøíîñòü ðàçíîñòíîé ñõåìû xi òàê:n-ì(n + 1)-ìñëîåñëîå.xni = yin − uni .Ââåäåì ôóíêöèþψinòàê:ψinuni−1 − 2uni + uni+1 un+1− unii=−+ fin .2hτ(11)Òîãäà (7) ìîæíî ïåðåïèñàòü ñëåäóþùèì îáðàçîì:nz n − 2zin + zi+1zin+1 − zin= i−1+ ψin ,τh2(xi , tn ) ∈ ωτ h .(12)Ðàçíîñòíûå ñõåìû äëÿ ïåðâîé êðàåâîé çàäà÷è äëÿ óðàâíåíèÿ òåïëîïðîâîäíîñòèÎïðåäåëåíèå. Ôóíêöèÿ ψin , îïðåäåëÿåìàÿ ðàâåíñòâîì62(11), íàçûâàåòñÿ ïîãðåøíîñòüþ àï-ïðîêñèìàöèè ðàçíîñòíîé ñõåìû (7) (9) íà ðåøåíèå çàäà÷è (4) (6).Çàäà÷à.

Äîêàçàòü, ÷òî ψin = O(τ + h2 ).Ðåøåíèå. Ðàçëîæèìu(xi , tn+1 )â óçëå(xi , tn )ïî ôîðìóëå Òåéëîðà:u(xi , tn+1 ) = un+1= u(xi , tn ) + ut (xi , tn )τ + O(τ 2 ).iÐàçëîæèìu(xi+1 , tn )â óçëå(xi , tn )ïî ôîðìóëå Òåéëîðà:11u(xi+1 , tn ) = uni+1 = u(xi , tn ) + ux (xi , tn )h + uxx (xi , tn )h2 + uxxx (xi , tn )h3 + O(h4 ).26Ðàçëîæèìu(xi−1 , tn )â óçëå(xi , tn )ïî ôîðìóëå Òåéëîðà:11u(xi−1 , tn ) = uni+1 = u(xi , tn ) − ux (xi , tn )h + uxx (xi , tn )h2 − uxxx (xi , tn )h3 + O(h4 ).26Ïîäñòàâèâ âûïèñàííûå ðàçëîæåíèÿ â (11), ïðèâåäÿ ïîäîáíûå ÷ëåíû è âîñïîëüçîâàâøèñü (4),ïîëó÷èìψin = O(τ + h2 ).Êðàåâûå óñëîâèÿ äëÿzèìåþò âèä:n+1z0n+1 = zN= 0,À íà÷àëüíîå óñëîâèå äëÿtn+1 = ω τ .(13)z:zi0 = 0,xi = ω h .(14)Ââåäåì íîðìó íà ñëîå:ky n kC = max |yin |.0≤i≤NÂâåäåííàÿ òàêèì îáðàçîì íîðìà íàçûâàåòñÿ ðàâíîìåðíîé (ñèëüíîé).n+1Âûðàçèì ziâ ôîðìóëå (12):zin+1 = zin +τ nn) + τ ψin .(z − 2zin + zi+1h2 i−1Ïîòðåáóåì âûïîëíåíèÿ ñëåäóþùåãî óñëîâèÿ:τ1=γ≤ .2h2(15)Åñëè ðàçíîñòíàÿ ñõåìà ñõîäèòñÿ ïðè îãðàíè÷åíèè íà øàãè ñåòêè, òî òàêàÿ ðàçíîñòíàÿ ñõåìàíàçûâàåòñÿ óñëîâíî ñõîäÿùåéñÿ.

Åñëè ñõîäèìîñòü ðàçíîñòíîé ñõåìû íå çàâèñèò îò øàãîâ ñåòêè,òî ðàçíîñòíàÿ ñõåìà íàçûâàåòñÿ àáñîëþòíî ñõîäÿùåéñÿ.Äîêàæåì, ÷òî óñëîâèå (15) ÿâëÿåòñÿ íåîáõîäèìûì è äîñòàòî÷íûì äëÿ ñõîäèìîñòè (è óñòîé÷èâîñòè) ÿâíîé ðàçíîñòíîé ñõåìû.Äîêàæåì äîñòàòî÷íîñòü óñëîâèÿ (15). Ïóñòü ýòî óñëîâèå âûïîëíåíî. Òîãäànnzin+1 = (1 − 2γ)zin + γ(zi−1+ zi+1) + τ ψin ,Ðàçíîñòíûå ñõåìû äëÿ ïåðâîé êðàåâîé çàäà÷è äëÿ óðàâíåíèÿ òåïëîïðîâîäíîñòè63nn|) + τ ψin ,| + |zi+1|zin+1 | ≤ (1 − 2γ)|zin | + γ(|zi−1|zin+1 | ≤ (1 − 2γ)kz n kC + γ(kz n kc + kz n kC ) + τ kψ n kC ,|zin+1 | ≤ kz n kC + τ kψ n kC ,ïîñêîëüêó ýòî âûïîëíÿåòñÿ äëÿ âñåõi,òîkz n+1 kC ≤ kz n kC + τ kψ n kC .(16)Ïðèìåíÿÿ ôîðìóëó (16) êàê ðåêóððåíòíóþ, ïîëó÷èìkzn+10kC ≤ kz kC + τnXkψ k kC ,k=0kz n+1 kC = 0,ïîñêîëüêóòîkz n+1 kC ≤ τnXkψ k kC .k=02= O(τ + h ), òî ∃ M > 0 : kψ kC ≤ M (τ + h2 ), MnPτ = tn+1 ≤ T, èìååìÓ÷èòûâàÿ, ÷òînÒ.ê.

ψiníå çàâèñèò îòτèh.k=0kz n+1 kC ≤ M T (τ + h2 ) = M1 (τ + h2 ).Ïðè ýòîì,M1íå çàâèñèò îòτèh.Ìû ïîëó÷èëè àïðèîðíóþ îöåíêókz n+1 kC ≤ M1 (τ + h2 ).(17)Èç ïîëó÷åííîé îöåíêè ñëåäóåò, ÷òîτ, h → 0 ⇒ kz n+1 k → 0,ò.å.ky n+1 − un−1 k → 0.Òàêèì îáðàçîì, èìååò ìåñòî ñõîäèìîñòü ÷èëñåííîãî ðåøåíèÿ ê ðåøåíèþ èñõîäíîé çàäà÷è.Íåñêîëüêî ñëîâ îá óñòîé÷èâîñòè.Ïóñòüy(0, t) = y(1, t) = 0.Òîãäà, ïðîâåäÿ ðàññóæäåíèÿ, àíàëîãè÷íûì îïèñàííûì âûøå,èìååìkyn+1kC ≤ ky0 kC +nXτ kf k kC ,k=0kyn+1kC ≤ ky0 kC + τnXkf k kC .(18)k=0Ðàçíîñòíóþ ñõåìó, â êîòîðîé âûïîëíÿåòñÿ (18), íàçûâàþò óñòîé÷èâîé ïî íà÷àëüíîìó óñëîâèþ è ïðàâîé ÷àñòè. Òàêèì îáðàçîì, ÿâíàÿ ðàçíîñòíàÿ ñõåìà óñòîé÷èâà ïî íà÷àëüíîìó óñëîâèþè ïðàâîé ÷àñòè ïðè âûïîëíåíèè óñëîâèÿ (15).Äîêàæåì, ÷òî óñëîâèå (15) ÿâëÿåòñÿ íåîáõîäèìûì äëÿ ñõîäèìîñòè ÿâíîé ðàçíîñòíîé ñõåìû.Ðàññìîòðèì îäíîðîäíóþ ñèñòåìónnyi−1− 2yin + yi+1yin+1 − yin,=τh2(xi , tn ) ∈ ωτ h .(19)Ðàçíîñòíûå ñõåìû äëÿ ïåðâîé êðàåâîé çàäà÷è äëÿ óðàâíåíèÿ òåïëîïðîâîäíîñòèÁóäåì èñêàòü åå ðåøåíèå â âèäåyjn = q n eijhφ ,ãäåi2 = −1, φ ∈ R, q ∈ C.64Ïîäñòàâèì ýòî âóðàâíåíèå (19).

Характеристики

Тип файла
PDF-файл
Размер
714,73 Kb
Тип материала
Высшее учебное заведение

Список файлов лекций

Свежие статьи
Популярно сейчас
Как Вы думаете, сколько людей до Вас делали точно такое же задание? 99% студентов выполняют точно такие же задания, как и их предшественники год назад. Найдите нужный учебный материал на СтудИзбе!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
6447
Авторов
на СтудИзбе
305
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее