42896 (687242), страница 2

Файл №687242 42896 (Interpolation, approximation and differential equations solvers) 2 страница42896 (687242) страница 22016-07-31СтудИзба
Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

It may be possible to find an antiderivative symbolically, but it may be easier to compute a numerical approximation than to compute the antiderivative. That may be the case if the antiderivative is given as an infinite series or product, or if its evaluation requires a special function which is not available.

The following methods were described in this semester:

  • Rectangular method

  • Trapezoidal rule

  • Simpson's rule

  • Gauss-Legendre method

  • Gauss-Chebyshev method


2.2.1 Rectangular method

The most straightforward way to approximate the area under a curve is to divide up the interval along the x-axis between and into a number of smaller intervals, each of the same length. For example, if we divide the interval into subintervals, then the width of each one will be given by:

The approximate area under the curve is then simply the sum of the areas of all the rectangles formed by our subintervals:

The summary approximation error for intervals with width is less than or equal to

Thus it is impossible to calculate maximum of the derivative function, we can estimate integration error like value:



2.2.2 Trapezoidal rule

Trapezoidal rule is a way to approximately calculate the definite integral. The trapezium rule works by approximating the region under the graph of the function by a trapezium and calculating its area. It follows that

To calculate this integral more accurately, one first splits the interval of integration into n smaller subintervals, and then applies the trapezium rule on each of them. One obtains the composite trapezium rule:

The summary approximation error for intervals with width is less than or equal to:


2.2.3 Simpson's rule

Simpson's rule is a method for numerical integration, the numerical approximation of definite integrals. Specifically, it is the following approximation:

If the interval of integration is in some sense "small", then Simpson's rule will provide an adequate approximation to the exact integral. By small, what we really mean is that the function being integrated is relatively smooth over the interval . For such a function, a smooth quadratic interpolant like the one used in Simpson's rule will give good results.

However, it is often the case that the function we are trying to integrate is not smooth over the interval. Typically, this means that either the function is highly oscillatory, or it lacks derivatives at certain points. In these cases, Simpson's rule may give very poor results. One common way of handling this problem is by breaking up the interval into a number of small subintervals. Simpson's rule is then applied to each subinterval, with the results being summed to produce an approximation for the integral over the entire interval. This sort of approach is termed the composite Simpson's rule.

Suppose that the interval is split up in subintervals, with n an even number. Then, the composite Simpson's rule is given by

The error committed by the composite Simpson's rule is bounded (in absolute value) by


2.2.4 Gauss-Legendre method and Gauss-Chebyshev method

Since function values are given in fixed points then just two points Gauss-Legendre method can be applied. If is continuous on , then

The Gauss-Legendre rule G2( f ) has degree of precision . If , then

,

where

It should be noted that even in case of two points method we have to calculate values of the function in related to , , this values could be evaluated by linear interpolation (because it is necessary to avoid oscillations), so estimation of integration error become very complicated process, but this error will be less or equal to trapezoidal rule.

Mechanism of Gauss-Chebyshev method is almost the same like described above, and integration error will be almost the same, so there is no reason to use such methods for the current problem.


Problem 3


3.1 Problem definition

It is well known that the third order Runge-Kutta method is of the following form

,

Suppose that you are asked to derived a new third order Runge-Kutta method in the following from

,

Find determine the unknowns , , and so that your scheme is a third order Runge-Kutta method.


3.2 Problem solution

Generally Runge-Kutta method looks like:

,

where coefficients could be calculated by the scheme:

The error function:

Coefficients , , must be found to satisfy conditions , consequently we can suppose that for each order of Runge-Kutta scheme those coefficients are determined uniquely, it means that there are no two different third order schemes with different coefficients. Now it is necessary to prove statement.

For , :

;

;

; ;

;

; ;

Thus we have system of equations:

Some of coefficients are already predefined:

; ; ; ; ; ; ;

Obtained results show that Runge-Kutta scheme for every order is unique.



Problem 4


4.1 Problem definition

Discuss the stability problem of solving the ordinary equation , via the Euler explicit scheme , say . If , how to apply your stability restriction?


4.2 Problem solution

The Euler method is 1st order accurate. Given scheme could be rewritten in form of:

If has a magnitude greater than one then will tend to grow with increasing and may eventually dominate over the required solution. Hence the Euler method is stable only if or:

For the case mentioned above inequality looks like:

Last result shows that integration step mast be less or equal to .

For the case , for the iteration method coefficient looks like

As step is positive value of the function must be less then . There are two ways to define the best value of step , the firs one is to define maximum value of function on the integration area, another way is to use different for each value , where . So integration step is strongly depends on value of .


References

  1. J. C. Butcher, Numerical methods for ordinary differential equations, ISBN 0471967580

  2. George E. Forsythe, Michael A. Malcolm, and Cleve B. Moler. Computer Methods for Mathematical Computations. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1977. (See Chapter 6.)

  3. Ernst Hairer, Syvert Paul Nørsett, and Gerhard Wanner. Solving ordinary differential equations I: Nonstiff problems, second edition. Berlin: Springer Verlag, 1993. ISBN 3-540-56670-8.

  4. William H. Press, Brian P. Flannery, Saul A. Teukolsky, William T. Vetterling. Numerical Recipes in C. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1988. (See Sections 16.1 and 16.2.)

  5. Kendall E. Atkinson. An Introduction to Numerical Analysis. John Wiley & Sons - 1989

  6. F. Cellier, E. Kofman. Continuous System Simulation. Springer Verlag, 2006. ISBN 0-387-26102-8.

  7. Gaussian Quadrature Rule of Integration - Notes, PPT, Matlab, Mathematica, Maple, Mathcad at Holistic Numerical Methods Institute

  8. Burden, Richard L.; J. Douglas Faires (2000). Numerical Analysis (7th Ed. ed.). Brooks/Cole. ISBN 0-534-38216-9.

Характеристики

Тип файла
Документ
Размер
3,37 Mb
Тип материала
Учебное заведение
Неизвестно

Список файлов курсовой работы

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
6529
Авторов
на СтудИзбе
301
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее