Главная » Просмотр файлов » Conte, de Boor - Elementary Numerical Analysis. An Algorithmic Approach

Conte, de Boor - Elementary Numerical Analysis. An Algorithmic Approach (523140), страница 52

Файл №523140 Conte, de Boor - Elementary Numerical Analysis. An Algorithmic Approach (Conte, de Boor - Elementary Numerical Analysis. An Algorithmic Approach) 52 страницаConte, de Boor - Elementary Numerical Analysis. An Algorithmic Approach (523140) страница 522013-09-15СтудИзба
Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 52)

The functionf(x) is ex, and with a = 0, the exact values of f´(a) and f´´(a) are obviouslyone. We see from the table that the Dh and Dh2 continue to improve as hdiminishes until h = 0.01. After this, the results worsen. For h = 0.0001,there is a loss of four significant figures in D h and of seven significantfigures in Dh2.

The only remedy for this loss of significance is to increasethe number of significant digits to which f(x) is computed as h becomessmaller. This will normally be impossible on most computers. Moreover,f(x) will itself normally be the result of other computations which haveintroduced other numerical errors.Table 7.1hEXP(h)1.00.10.010.0010.00010.27182817E0.11051708E0.10100501E0.10010005E0.100W999EDhE X P( - h )01010101010.36787944E0.90483743E0.99004984E0.99900050E0.99990001E00000000000.11752012E0.10016673E0.10000161E0.99999458E0.99994244EDh201010100000.10861612E0.10008334E0.10000169E099837783E0.14901161E01010100017.1NUMERICAL DIFFERENTIATION301To analyze this phenomenon, consider formula (7.11), which givesIn calculations, we will in fact use the numbers f( a + h) + E+ andf (a - h) + E- instead of the numbers f(a + h) and f(a - h), because ofroundoff.

Therefore we computeHence, with (7.11),(7.16)The error in the computed approximation f´comp to f´(a) is therefore seen toconsist of two parts, one part due to roundoff, and the other part dueto discretization. If f´´´(x) is bounded, then the discretization error goes tozero asbut the round-off error grows if we assume (as we must inpractice) that E+ - E- does not decrease (but see Exercise 7.1-5).We define the optimum value of h as that value for which the sum ofthe magnitudes of the round-off error and of the discretization error isminimized.

To illustrate the procedure for finding an optimum value of h,let us consider the problem above of computing f´(0) when f(x) = ex. Letus assume that the error in computing ex is ± 1 · 10-8 and that E+ - Eremains finite and equal approximately to ± 2 · 10-8. Then, from (7.16),the round-off error R is approximatelyThe discretization error T is approximatelysince f´´´(ξ) is approximately one. To find the optimum h we must thereforeminimizeTo find the value of h for which g(h) is a minimum, we differentiate g(h)with respect to h and find its zero. Thus302DIFFERENTIATION AND INTEGRATIONand its positive solution ish3 = 3 · 10-8orThis is the optimum value of h.

The student can verify by examining Table7.1 that the best value of h falls between 0.01 and 0.001.Formulas for numerical differentiation as derived in this section arevery useful in the study of methods for the numerical solution of differential equations (see Chaps. 8 and 9). But the above analysis shows theseformulas to be of limited utility for the approximate calculation of derivatives. The analysis shows that we can combat the round-off-error effect byusing “sufficiently” high precision arithmetic.

But this is impossible whenf(x) is known only approximately at finitely many points.If the numerical calculation of derivatives cannot be avoided, it isusually more advantageous to estimate D(f) by D(p k ), with p k (x) theleast-squares approximation to f(x) by polynomials of low degree (see Sec.6.4). A very promising alternative is the approximation of D(f) by D(g3),where g3(x) is the cubic spline interpolating f(x) at a number of points, orbest approximating f(x) in the least-squares sense.EXERCISES7.1-1 From the following table find f´(l.4), using (7.7), (7.8) and (7.10).

Also find f´´(l.4),using (7.14). Compare your results with the results f´(1.4) = cosh 1.4 = 2.1509 and f´´(1.4) =sinh 1.4 = 1.9043, which are correct to the places given.xf(x)1.21.31.41.51.61.50951.69841.90432.12932.37567.1-2 From the following table of values of f(x) = sinh x, find f´(0.400), using (7.8) withh = 0.001 and h = 0.002. Which of these is the more accurate? The correct result isf ´(0.4) = cosh 0.4 = 1.081072.x0.3980.3990.4000.4010.402f(x)0.4085910.4096710.4107520.4118340.4129157.2NUMERICAL INTEGRATION: SOME BASIC RULES3037.1-3 In Eq. (7.16) let f(x) = sinh x and assume that the round-off error in computing sinh xremains constant, so that E+ - E- = 0.5 . 10 -7 .

Determine the optimum value of h to beused if formula (7.8) is used to compute f´(0).7.1-4 Derive a formula for f´´´(a) by differentiating (7.1) three times, choosing k = 3 andsetting a = x0, xl = a - h, x2 = a + h, x3 = a + 2 h. Also derive the error term for thisformula.7.1-5 On your computer, calculate the sequence of numbersa n - f[2 - 2 -n, 2 + 2 - n ]n = 1, 2, 3, . . .where f(x) = ln x. Without round-off effects,According to the discussion in this section,because of roundoff.

Does this really happen? If not, why not? Does this invalidate thediscussion in the text?7.1-6 Verify the formula (7.8) by expanding f(a + h) and f(a - h) into Taylor series aboutthe point a.7.1-7 Derive the formula (7.14) for f´´(a) using Taylor series expansions.7.2 NUMERICAL INTEGRATION: SOME BASIC RULESThe problem of numerical integration, or numerical quadrature, is that ofestimating the number(7.17)This problem arises when the integration cannot be carried out exactly orwhen f(x) is known only at a finite number of points.For this, we follow the outline given at the beginning of this chapter.We approximate I(f) by I(pk), where p k(x) is the polynomial of degree< k which agrees with f(x) at the points x0, .

. . , xk. The approximation isusually written as a rule, i.e., as a weighted sumI(p k ) = A 0 f(x 0 ) + A 1 f(x 1 ) + · · · + A k f(x k )of the function values f(x0), . . . , f(xk). The weights could be calculated asAi = I(li ), with li (x) the ith Lagrange polynomial.Assume now that the integrand f(x) is sufficiently smooth on someinterval [c,d] containing a and b so that we can write, as in (2.37),whereThen the error in our estimate I(pk) for I(f) is(7.18)304DIFFERENTIATION AND INTEGRATIONf [x0, .

. . , xk, x] being a continuous, hence integrable, function of x, byTheorem 2.5.This error term can, at times, be simplified. If, for example,is ofone sign on (a,b), then, by the mean-value theorem for integrals (see Sec.1.7),(7.19)If, in addition, f(x) is k + 1 times continuously differentiable on (c,d), weget from (7.18) and (7.19) that(7.20)Even ifis not of one sign, certain simplifications in the errorterm (7.18) are possible.

A particularly desirable instance of this kindoccurs when(7.21)In such a case, we can make use of the identityf[ x0, . . . , xk, x] = f[x0, . . . , xk, xk+1] + f[x0 , . . . xk+1, x,](x - xk+1)which is valid for arbitrary xk+1, to get thatsinceIf we now can choose xk+1 in such a way thatis of one sign on (a,b), and if f(x) is (k + 2) times continuously differentiable, then it follows (as before) that(7.22)Note that the derivative of f(x) appearing in (7.22) is of one order higherthan the one in (7.20). As in numerical differentiation, this indicates that(7.22) is of higher order than (7.20).We now consider specific examples. Let k = 0.

Thenf(x) = f(x 0 ) + f[x0, x](x - x0 )7.2NUMERICAL INTEGRATION: SOME BASIC RULES305HenceI(p k ) = (b - a)f(x 0 )If x0 = a, then this approximation becomesI(f)R = (b - a)f ( a )(7.23)the so-called rectangle rule (see Fig. 7.2). Since, in this case,is of one sign on (a,b), the error ER of the rectangle rule can be computedfrom (7.20). One gets(7.24)If x 0 = (a + b)/2, thenfails to be of one sign. But thenwhile (x - x0 )2 is of one sign. Hence, in this case, the error in I(pk) can becomputed from (7.22), with x1 = x0. One gets(7.25)the midpoint rule.Next, let k = 1.

ThenTo get= (x - x0 ) (x - x1 ) of one sign on (a,b), we choose x0 =a, x1 = b. Then, by (7.20),or(7.26)the trapezoid(al) rule (see Fig. 7.2).Now let k = 2. Then306DIFFERENTIATION AND INTEGRATIONFigure 7.2 Numerical integration.Note, for distinct x 0 , x 1 , x 2 in (a,b),( x - x0 )(x - x1)(x - x2 )is not of one sign on (a,b). But if we choose x0 = a, x1 = ( a + b)/2,x2 = b, then one can show by direct integration or by symmetry argumentsthatThe error is of the form (7.22). If we now choose x3 = x1 = (a + b)/2,thenis of one sign on (a, 6). Hence it then follows from (7.18) and (7.22) thatOne calculates directlyso that the error for this formula becomes7.2NUMERICAL INTEGRATION: SOME BASIC RULES307We now calculate I(p2) directly to obtain the formula corresponding to thecase k = 2 with the choice of interpolating points x0 = a, x1 = ( a + b)/2,x2 = b.

It is convenient to write the interpolating polynomial in the formThenButderiving (7.26). Soas we just found out when(7.27)using the fact that by symmetry of the divided differenceBut now,f [a, b](b - a) = f(b) - f(a)whileSubstituting these expressions into (7.27) gives usWe thus arrive at the justly famous Simpson's rule together with its308DIFFERENTIATION AND INTEGRATIONassociated error(7.28)Finally let k = 3. ThenBy choosing x0 = x1 = a, x2 = x3 = b we can be assured that( x - a) 2 (x - b)2 is of one sign on (a,b) and hence from (7.20) that theerror can be expressed asTo derive the integration formula corresponding to the choice of pointsx0 = x1 = a, x2 = x3 = b we first observe thatp 3 (x) = f[a] + f[a, a](x - a) + f[a, a, b](x - a) 2+f[a, a, b, b](x - a)2(x - b)so that(7.29a)From Sec. 2.7 on Osculatory Interpolation we find thatf[a,a] = f´(a)f[a, a, b] = {f[a,b] - f’(a)}/(b - a)f[a, a, b, b] = (f´(b) - 2f[a,b] + f´(a)}/(b - a)2Substituting into (7.29a) and simplifying we have7.2NUMERICAL INTEGRATION: SOME BASIC RULES309Finally replacing f[a,b] by (f(b) - f(a))/(b - a) and rearranging inpowers of (b - a) we arrive at the formula(7.29b)which, for obvious reasons, is known as the corrected trapezoid rule.

Характеристики

Тип файла
PDF-файл
Размер
5,21 Mb
Тип материала
Учебное заведение
Неизвестно

Список файлов книги

Свежие статьи
Популярно сейчас
Зачем заказывать выполнение своего задания, если оно уже было выполнено много много раз? Его можно просто купить или даже скачать бесплатно на СтудИзбе. Найдите нужный учебный материал у нас!
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
6358
Авторов
на СтудИзбе
311
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее