Часовой пояс: UTC + 3 часа [ Летнее время ]

Методы численного дифференцирования и интегрирования
Онлайн-сервисы Нахождение НОД и НОК Разложение числа на простые множители Сравнения по модулю Операции над множествами Операции над векторами Разложение вектора по базису. Доказательство, что векторы образуют базис Чертёж треугольника по координатам вершин Решение треугольника Решение Пирамиды Построение Пирамиды по координатам вершин Чертёж многоугольника по координатам вершин Решение систем методом Крамера и Матричным Онлайн построение графика кривой 2-го порядка Определение вида кривой или поверхности 2-го порядка по инвариантам МНК и регрессионный анализ Онлайн + графики Онлайн число, сумма и дата прописью Алгоритмы JavaScript Алгоритмы поиска Алгоритмы сортировки Уникальные элементы массива Объединение, пересечение и разность массивов НОД и НОК Операции над матрицами Дата прописью Введение в анализ Функции: понятие, определение, графики Непрерывность функции Исследование функции и построение графика Теория множеств Множества: понятие, определение, примеры Точечные множества Замкнутые и открытые множества Мера множества Группы, кольца, поля в математике Поле комплексных чисел Кольцо многочленов Основная теорема алгебры и ее следствия Математическая логика Алгебра высказываний Аксиоматика и логические рассуждения Методы доказательств теорем Алгебра высказываний и операции над ними Формулы алгебры высказываний Тавтологии алгебры высказываний Логическая равносильность формул Нормальные формы для формул высказываний Логическое следование формул Приложение алгебры высказываний для теорем Дедуктивные и индуктивные умозаключения Решение логических задач Принцип полной дизъюнкции Булевы функции Множества, отношения и функции в логике Булевы функции от одного и двух аргументов Булевы функции от n аргументов Системы булевых функций Применение булевых функций к релейно-контактным схемам Релейно-контактные схемы в ЭВМ Практическое применение булевых функций Теория формального Формализованное исчисление высказываний Полнота и другие свойства формализованного исчисления высказываний Независимость системы аксиом формализованного исчисления высказываний Логика предикатов Логика предикатов Логические операции над предикатами Кванторные операции над предикатами Формулы логики предикатов Тавтологии логики предикатов Преобразования формул и следование их предикатов Проблемы разрешения для общезначимости и выполнимости формул Применение логики предикатов в математике Строение математических теорем Аристотелева силлогистика и методы рассуждений Принцип полной дизъюнкции в предикатной форме Метод полной математической индукции Необходимые и достаточные условия Логика предикатов и алгебра множеств Формализованное исчисление предикатов Неформальные и формаль- ные аксиоматические теории Неформальные аксиоматические теории Свойства аксиоматических теорий Формальные аксиоматические теории Формализация теории аристотелевых силлогизмов Свойства формализованного исчисления предикатов Формальные теории первого порядка Формализация математической теории Теория алгоритмов Интуитивное представление об алгоритмах Машины Тьюринга и тезис Рекурсивные функции Нормальные алгоритмы Маркова Разрешимость и перечислимость множеств Неразрешимые алгоритмические проблемы Теорема Гёделя о неполноте формальной арифметики Математическая логика и компьютеры Математическая логика и языки программирования Применение компьютеров для доказательства теорем математической логики Математическая логика и логическое программирование Математическая логика и информатика Математическая логика и искусственный интеллект Дискретная математика Множества и отношения Теория множеств: понятия и определения Операции над множествами Кортеж и декартово произведение множеств Соответствия и бинарные отношения на множествах Операции над соответствиями на множествах Семейства множеств Специальные свойства бинарных отношений Отношения эквивалентности на множестве Упорядоченные множества Теорема о неподвижной точке Мощность множества Парадокс Рассела Метод характеристических функций Группы и кольца Алгебраические структуры и операции Группоиды, полугруппы, группы Кольца, тела, поля Области целостности в теории колец Модули и линейные пространства Подгруппы и подкольца Теорема Лагранжа о порядке конечной группы Гомоморфизмы групп и нормальные делители Гомоморфизмы и изоморфизмы колец Алгебра кватернионов Полукольца и булевы алгебры Полукольца: определение, аксиомы, примеры Замкнутые полукольца Полукольца и системы линейных уравнений Булевы алгебры и полукольца Решетки и полурешетки Алгебраические системы Алгебраические системы: модели и алгебры Подсистемы алгебраических систем Конгруэнции и фактор-системы Гомоморфизмы алгебраических систем Прямые произведения алгебраических систем Конечные булевы алгебры Многосортные алгебры Теория графов Теория графов: основные понятия и определения Способы представления графов Неориентированные и ориентированные деревья Остовное дерево и алгоритм Краскала Методы систематического обхода вершин графа Алгоритмы поиска в глубину и ширину в графах Задача о путях во взвешенных ориентированных графах Изоморфизм, гомоморфизм и автоморфизм графов Топологическая сортировка вершин графа Элементы цикломатики в теории графов Булева алгебра и функции Булевы функции и булев куб Таблицы булевых функций и булев оператор Равенство булевых функций. Фиктивные переменные Формулы и суперпозиции булевых функций Дизъюнктивные и конъюнктивные нормальные формы Построение минимальных ДНФ Теорема Поста и классы Критерий Поста Схемы из функциональных элементов Конечные автоматы и регулярные языки Конечные автоматы и регулярные языки Алфавит, слово, язык в программировании Порождающие грамматики (грамматики Хомского) Классификация грамматик и языков Регулярные языки и регулярные выражения Конечные автоматы Допустимость языка конечным автоматом Теорема Клини Детерминизация конечных автоматов Минимизация конечных автоматов Лемма о разрастании для регулярных языков Обоснование алгоритма детерминизации автоматов Конечные автоматы с выходом Морфизмы и конечные подстановки Машины Тьюринга Контекстно-свободные языки Контекстно-свободные языки и грамматики Приведенная форма КС-грамматики Лемма о разрастании для КС-языков Магазинные автоматы (автомат с магазинной памятью) Алгоритм построения МП-автомата по КС-грамматике Алгоритм построения КС-грамматики по МП-автомату Алгебраические свойства КС-языков Основное свойство суперпозиции КС-языков Пересечение контекстно-свободных языков Методы синтаксического анализа КС-языков Восходящий синтаксический анализ и LR(k)-грамматики Семантика формальных языков Принцип индукции по неподвижной точке Графовое представление МП-автоматов Интегральное исчисление Неопределённый и определённый Неопределенный и определенный интегралы Свойства интегралов Интегрирование по частям Интегрирование методом замены переменной Интегрирование различных рациональных функций Интегрирование различных иррациональных функций Интегрирование различных тригонометрических функций Определенный интеграл и его основные свойства Необходимое и достаточное условие интегрируемости Теоремы существования первообразной Свойства определенных интегралов Несобственные интегралы Интегральное определение логарифмической функции Приложения интегралов Вычисление площадей плоских фигур Площади фигур в различных координатах Вычисление объемов тел с помощью интегралов Объём тела вращения Вычисление длин дуг кривых Формулы длины дуги регулярной кривой Кривизна плоской кривой Площадь поверхности вращения тела Интегралы в физике Статические моменты и координаты центра тяжести Теоремы Гульдина–Паппа Вычисление моментов инерции Другие приложения интегралов в физике Основные интегралы Интеграл Ньютона-Лейбница Интеграл Римана Интеграл Лебега Вариационное исчисление Примеры вариационных задач Дифференциальное уравнение Эйлера Функционалы, зависящие от нескольких функций Задача о минимуме кратного интеграла Финансовый анализ Анализ эффективности Критерии и показатели эффективности предприятия Методы анализа эффективности деятельности Факторный анализ прибыли от операционной деятельности Анализ безубыточности предприятия Операционный рычаг и эффект финансового рычага Анализ и оценка состава, структуры и динамики доходов и расходов Анализ рентабельности и резервов устойчивого роста капитала Анализ распределения прибыли предприятия Анализ и оценка чувствительности показателей эффективности Анализ устойчивости Финансовая устойчивость и долгосрочная платежеспособность Характеристика типов финансовой устойчивости Рыночная активность Финансовый анализ рыночной активности Методика анализа рыночной активности Анализ и оценка дивидендного дохода на одну акцию Инвестиционная деятельность Инвестиции: экономическая сущность и классификация Государственное регулирование инвестиционной деятельности Источники финансовых ресурсов на капитальные вложения Инвестиции в основные фонды Оценка состояния основных фондов Амортизация основных фондов Капитальное строительство в инвестиционном процессе Планирование инвестиций в форме капитальных вложений Экономическая эффективность инвестиций Финансирование капитальных вложений Кредитование капитальных вложений Кредитоспособность Финансирование и кредитование затрат Финансирование и кредитование инвестиционной деятельности потребительской кооперации Финансирование и кредитование капитальных вложений потребительской кооперации Инвестиционное строительное проектирование Анализ инвестиций Инвестиции и инвестиционная деятельность предприятия Задачи финансового анализа инвестиций предприятия Учет фактора времени в инвестиционной деятельности Аннуитет и финансовая рента в инвестициях Учет фактора инфляции при инвестировании Оценка фактора риска инвестиционного проекта Методы оценки эффективности инвестиций Показатели эффективности инвестиционного проекта Стоимость компании Концепция построения международных стандартов финансовой отчетности (МСФО) Экономическое содержание международных стандартов финансовой отчётности Цели и принципы оценки стоимости акций и активов компании Оценка акций и активов предприятия по справедливой стоимости Методы оценки справедливой стоимости акций предприятия Затратный подход к оценки стоимости компаний и акций Сравнительный подход к оценки стоимости предприятий и акций Доходный подход к оценке стоимости компании и акций Выбор ставки дисконтирования при инвестировании в акции Метод капитализации прибыли Сравнение подходов к оценке стоимости компаний и пакетов акций Форвардные контракты Форвардный контракт и цена Форвардная цена акции на бирже Цена форвардного контракта инвестора Форвардная цена акции с учетом величины дивиденда Форвардная цена акции с учетом ставки дивиденда Форвардная цена валюты на рынке форекс Форвардный валютный курс и инфляция на рынке Форвардная цена товара и спотовый рынок Форвардная цена при различии ставок по кредитам и депозитам Синтетический форвардный контракт на акции и валюту Теория вероятностей Основные понятия теории вероятностей Зависимые и независимые случайные события Повторные независимые испытания Формула Бернулли Одномерные случайные величины Многомерные случайные величины Функции случайных величин Законы распределения целочисленных случайных величин Законы распределения непрерывных случайных величин Предельные теоремы теории вероятностей Закон больших чисел и предельные теоремы Вероятностные закономерности Математическая статистика Элементы математической статистики Выборочный метод Оценки параметров генеральной совокупности Статистические гипотезы Критерии согласия Теоретические и эмпирические частоты Теория очередей (СМО) Определение системы массового обслуживания Уравнения Колмогорова Предельные вероятности состояний Определение СМО с отказами Определение СМО с ожиданием (очередью) Аналитическая геометрия Векторная алгебра Метрические понятия и аксиомы геометрии Равенство и подобие геометрических фигур Бинарные отношения Вектор, его направление и длина Линейные операции над векторами Линейная зависимость и независимость векторов Отношение коллинеарных векторов Проекции векторов на прямую и на плоскость Угол между векторами Ортогональные проекции векторов Координата вектора на прямой и базис Координаты вектора на плоскости и базис Координаты вектора в пространстве и базис Операции над векторами в координатной форме Ортогональный и ортонормированный базисы Cкалярное произведение векторов и его свойства Выражение скалярного произведения через координаты векторов Векторное произведение векторов и его свойства Смешанное произведение векторов и его свойства Ориентированные площади и объемы Двойное векторное произведение и его свойства Применение векторов в задачах на аффинные свойства фигур Применение произведений векторов при решении геометрических задач Применение векторной алгебры в механике Системы координат Прямоугольные координаты Преобразования прямоугольных координат Полярная система координат Цилиндрическая система координат Сферические координаты Аффинные координаты Аффинные преобразования координат Аффинные преобразования плоскости Примеры аффинных преобразований плоскости Аффинные преобразования пространства Многомерное координатное пространство Линейные и аффинные подпространства Скалярное произведение n-мерных векторов Преобразования систем координат Геометрия на плоскости Алгебраические линии на плоскости Общие уравнения геометрических мест точек Алгебраические уравнения линий на плоскости Уравнения прямой, проходящей через точку перпендикулярно вектору Уравнения прямой, проходящей через точку коллинеарно вектору Уравнения прямой, проходящей через две точки Уравнения прямой с угловым коэффициентом Взаимное расположение прямых Примеры задач с прямыми на плоскости Системы неравенств с двумя неизвестными Системы линейных уравнений с двумя неизвестными Линии 2-го порядка Канонические уравнения линий второго порядка Порядок приведения уравнения линии к каноническому виду Эллипс Гипербола Парабола Квадратичные неравенства с двумя неизвестными Применение линий 1-го и 2-го порядков в задачах на экстремум функций Инварианты линий Классификация линий 2-го порядка по инвариантам Приведение уравнения линии к каноническому виду по инвариантам Геометрия в пространстве Способы задания ГМТ в пространстве Алгебраические уравнения поверхностей Уравнения плоскости, проходящей через точку перпендикулярно вектору Уравнения плоскости, компланарной двум неколлинеарным векторам Уравнения плоскости, проходящей через три точки Взаимное расположение плоскостей Типовые задачи с плоскостями Уравнения прямых в пространстве Взаимное расположение прямых в пространстве Типовые задачи с прямыми в пространстве Поверхности 2-го порядка Канонические уравнения поверхностей Порядок приведения уравнения поверхности к каноническому виду Поверхности второго порядка Эллипсоиды Гиперболоиды Конусы Параболоиды Применение поверхностей 1-го и 2-го порядков в задачах на экстремум функций Инварианты поверхностей Классификация поверхностей 2-го порядка по инвариантам Квадратичные неравенства с тремя неизвестными Приведение уравнения поверхности к канониче-скому виду по инвариантам Линейная алгебра Матрицы и операции Линейные операции над матрицами Умножение матриц Возведение матриц в степень Многочлены от матриц Транспонирование и сопряжение матриц Блочные матрицы Произведение и сумма матриц Кронекера Метод Гаусса приведения матрицы к ступенчатому виду Элементарные преобразования матриц Определители Определители матриц и их основные свойства Формула полного разложения определителя Формула Лапласа полного разложения определителя Определитель произведения матриц Методы вычисления определителей Ранг матрицы Линейная зависимость и линейная независимость строк (столбцов) матрицы Ранг матрицы и базисный минор матрицы Методы вычисления ранга матрицы Ранг системы столбцов (строк) Обратная матрица Обратные матрицы и их свойства Ортогональные и унитарные матрицы Способы нахождения обратной матрицы Матричные уравнения Односторонние обратные матрицы Скелетное разложение матрицы Полуобратная матрица Псевдообратная матрица Системы уравнений Системы линейных алгебраических уравнений Метод Гаусса решения систем линейных уравнений Структура общего решения системы уравнений Решение систем с помощью полуобратных матриц Псевдорешения системы линейных уравнений Функциональные матрицы Функциональные матрицы скалярного аргумента Производные матриц по векторному аргументу Линейные и квадратичные формы и их преобразования Приведение форм к каноническому виду Закон инерции вещественных квадратичных форм Знакоопределенность форм вещественных квадратичных Формы и исследование функций на экстремум Многочленные матрицы Многочленные матрицы (лямбда-матрицы) Операции над лямбда-матрицами Простые преобразования многочленных матриц Инвариантные множители многочленной матрицы Функции от матриц Собственные векторы и значения матрицы Подобие числовых матриц Характеристический многочлен матрицы Минимальный многочлен матрицы Теорема Гамильтона-Кэли Жорданова форма матрицы Приведение матрицы к жордановой форме Многочлены от матриц Применение многочленов от матриц Функции от матриц Линейные пространства Линейные пространства: определение и примеры Линейная зависимость и независимость n-мерных векторов Размерность и базис линейного пространства Преобразования координат в линейном пространстве Изоморфизм линейных пространств Подпространства Подпространства линейного пространства Пересечение и сумма подпространств Способы описания подпространств Нахождение дополнения и суммы подпространств Нахождение пересечения подпространств Линейные отображения Линейные многообразия Линейные отображения Матрица линейного отображения Ядро и образ линейного отображения Линейные операторы Линейные операторы (преобразования) Инвариантные подпространства Собственные векторы и значения оператора Свойства собственных векторов операторов Канонический вид линейного оператора Методика приведения линейного преобразования к каноническому виду Евклидовы пространства Евклидовы пространства Ортогональные векторы евклидова пространства Ортогональный базис евклидова пространства Ортонормированный базис евклидова пространства Ортогональные дополнения в евклидовом пространстве Задача о перпендикуляре Матрица и определитель Грама и его свойства Линейные преобразования евклидовых пространств Канонический вид ортогонального оператора евклидова пространства Сопряженные операторы евклидова пространства Самосопряженные операторы евклидова пространства Приведение квадратичной формы к главным осям Унитарные пространства и их линейные преобразования Комплексный анализ Комплексные числа Комплексные числа в алгебраической форме Комплексные числа в тригонометрической и показательной формах Множества на комплексной плоскости Последовательности и ряды комплексных чисел Комплексные функции Функции комплексного переменного. Предел, непрерывность и производная Элементарные функции комплексного переменного Дифференцирование функций комплексного переменного Аналитические функции и их свойства Конформные отображения и их свойства Интегрирование функций комплексного переменного Функциональные ряды в комплексной области Функциональные ряды и последовательности Степенные ряды и их свойства Разложение функций в степенные ряды Нули аналитических функций Ряд Лорана и разложение функций по целым степеням Особые точки, Вычеты Изолированные особые точки функций и полюсы Вычеты и их применение Вычисление интегралов с помощью вычетов Вычеты и расположение нулей многочлена Операционное исчисление Преобразование Лапласа и его свойства Решение ДУ операционным методом Анализ выходных процессов линейных стационарных систем Z-преобразование и его свойства Дифференциальные уравнения ДУ первого порядка Основные понятия и определения ДУ Метод изоклин для ДУ 1-го порядка Метод последовательных приближений ДУ с разделяющимися переменными Однородные ДУ Линейные ДУ 1-го порядка Дифференциальное уравнение Бернулли ДУ в полных дифференциалах Интегрирующий множитель ДУ, не разрешенные относительно производной Дифференциальное уравнение Риккати Составление ДУ семейств линий Задачи на траектории Особые решения ДУ ДУ высших порядков Понятия и определения ДУ высших порядков ДУ, допускающие понижение порядка Линейная независимость функций Определители Вронского и Грама Однородные и неоднородные дифференциальные уравнения Задача Коши и Уравнение Эйлера Линейные ДУ с переменными коэффициентами Метод Лагранжа решения ДУ Краевые задачи для ДУ высших порядков Разложение решения ДУ в степенной ряд Разложение решения ДУ в обобщенный степенной ряд Нахождение периодических решений ДУ Асимптотическое интегрирование ДУ Системы ДУ Системы ДУ: понятия и определения Сведение системы ДУ к одному уравнению Нахождение интегрируемых комбинаций Интегрирование однородных линейных систем ДУ Методы интегрирования неоднородных систем ДУ Преобразование Лапласа и решение ДУ и систем Теория устойчивости Устойчивость решений ДУ по Ляпунову Простейшие типы точек покоя Метод функций Ляпунова Устойчивость решений ДУ по первому приближению Критерии устойчивости Рауса–Гурвица и Михайлова ДУ с малым параметром при производной Численные методы Методы алгебры Численные методы линейной алгебры Численные методы решения СЛАУ Итерационный метод Шульца обратной матрицы Методы решения задач о собственных значениях и векторах матрицы Методы решения нелинейных уравнений Методы решения систем нелинейных уравнений Методы теории приближений Методы приближения сеточных функций Методы функциональной интерполяции Методы интегрально-дифференциальной интерполяции Методы интегрального сглаживания Методы интерполяции и сглаживания сплайнами Методы численного дифференцирования и интегрирования Методы численного дифференцирования Методы численного интегрирования Методы решения обыкновенных ДУ Численные методы решения задачи Коши Разностные схемы для решения задачи Коши Составные схемы для решения задачи Коши Экстраполяционные методы решения задачи Коши Непрерывно-дискретные методы решения задачи Коши Численные методы решения краевых задач Методы решения ДУ в частных производных Численные методы решения уравнений математической физики с двумя переменными Принципы построения разностных схем для уравнений в частных производных Разностные схемы решения уравнений в частных производных 1-го порядка Разностные схемы решения уравнений в частных производных 2-го порядка Численные методы решения уравнений в частных производных Численные методы решения уравнений математической физики с тремя переменными	Методы численного дифференцирования и интегрирования Содержание 1. Общие понятия 2. Постановка задачи численного дифференцирования 3. Постановка задачи численного интегрирования 4. Метод Рунге уточнения результатов Общие понятия Если функция [math]f(x)[/math] непрерывна на отрезке [math][a,b][/math] и известна ее первообразная [math]F(x)[/math], то определенный интеграл от этой функции может быть вычислен по формуле Ньютона-Лейбница [math]\int\limits_{a}^{b} f(x)\,dx= \Bigl.{F(x)}\Bigr\|_{a}^{b}= F(b)-F(a),[/math] где [math]F'(x)=f(x)[/math]. Однако во многих случаях возникают большие трудности, связанные с нахождением первообразной, или эта задача не может быть решена элементарными способами. Например, в элементарных функциях не выражается интеграл [math]\textstyle{\int\limits_{1}^{2} \dfrac{dx}{\ln x}}[/math]. Кроме того, в вычислительной практике часто требуется находить значения производных и определенных интегралов от сеточных функций, заданных в общем случае на неравномерной сетке [math]\Omega_n= \bigl\{x_0,x_1,\ldots,x_n\bigr\},\quad x_{i+1}= x_i+h_{i+1},\quad i=\overline{0,n-1},\quad h_{i+1}= x_{i+1}-x_i.[/math] В связи с этим в численном анализе имеется специальный математический аппарат численного дифференцирования и интегрирования, отличный от соответствующего аппарата математического анализа. Традиционно интегралы вычисляются с помощью квадратурных формул (явно), выражающихся линейными комбинациями значений функции [math]y_i=f(x_i)[/math] в узлах сетки [math]\Omega_n[/math], функционально-дифференциальной квадратурной формулы Эйлера-Маклорена, формул Гаусса-Кристоффеля, Маркова и различных нестандартных формул. В данной главе кратко описаны как классические, так и новые методы численного дифференцирования и интегрирования, разработанные на основе аппарата интегрально-дифференциальных сплайнов. Приведен ряд обобщенных явных квадратурных формул функционально-дифференциального типа, а также описан новый способ вычисления интегралов на основе решения систем линейных алгебраических уравнений. Последний подход в отличие от способа вычисления интегралов по квадратурным формулам носит неявный характер и связан с построением неявных алгоритмов. Особенность аппарата численного дифференцирования и интегрирования, изложенного в данной главе, состоит в том, что в некоторых аппроксимацион-ных операторах дифференцирования могут использоваться как значения сеточной функции в узлах, так и значения определенных интегралов на частичных отрезках [math][x_i,x_{i+1}][/math], а в аппроксимационных операторах интегрирования — значения функции и ее производных в узлах. В соответствии с этим далее выделяются классические постановки задач численного дифференцирования и интегрирования, формулируемые обычно на равномерной сетке [math](h_{i+1}=\text{const})[/math], и обобщенные постановки, учитывающие связи производных с интегралами в задаче численного дифференцирования и интегралов с производными в задаче численного интегрирования, формулируемые на неравномерной сетке. Классические постановки ниже нумеруются цифрой 1, а обобщенные — цифрой 2. Данные постановки относятся только к явным аппроксимационным формулам численного дифференцирования и интегрирования. Соответствующие неявные алгоритмы рассматриваются отдельно. Постановка задачи численного дифференцирования Задача 1. Пусть на отрезке [math][a,b][/math] на равномерной сетке [math]\Omega_n~(h_{i+1}= h=\text{const})[/math] заданы: а) сеточная функция [math]y_i= f(x_i),~ i=\overline{0,n}[/math] своими значениями [math]f_i=f(x_i)[/math]; б) точки [math]x_j[/math] сетки [math]\Omega_n[/math], в которых требуется найти значения производных; в) желаемый порядок [math]t[/math] точности (аппроксимации) относительно [math]h[/math]. Требуется с заданным порядком точности (аппроксимации) вычислить значения производных [math]\Bigl.{\widehat{f}^{(p)}(x)}\Bigr\|_{x=x_j}[/math] в точках [math]x_j[/math] сетки, где [math]p[/math] — порядок производной. Иначе требуется получить аппроксимационный оператор [math]\widehat{f}^{(p)}(x_j)[/math], удовлетворяющий условию [math]\bigl\|f^{(p)}(x_j)-\widehat{f}^{(p)}(x_j)\bigr\|\leqslant C\,h^t[/math], где [math]C=\text{const}[/math], не зависящая от величины шага [math]h[/math]. Задача 2. Пусть на отрезке [math][a,b][/math] в общем случае на неравномерной сетке [math]\Omega_n= \bigl\{x_0,x_1,\ldots,x_n\bigr\},\quad x_{i+1}=x_i+h_{i+1},\quad i=\overline{0,n-1},\quad h_{i+1}= x_{i+1}-x_i~ (h_{i+1}=\text{var})[/math] заданы: а) сеточная функция [math]y_i= f(x_i),~ i=\overline{0,n}[/math], своими значениями [math]f_i= f(x_i)[/math] и (или) значениями интегралов [math]\textstyle{I_{i}^{i+1}= \int\limits_{x_i}^{x_{i+1}} f(x)dx}[/math] на частичных отрезках [math][x_i,x_{i+1}][/math]; б) точки [math]x_j[/math] сетки [math]\Omega_n[/math], в которых требуется найти значения производных; в) желаемый порядок [math]t[/math] точности (аппроксимации) относительно величины шага. Требуется с заданным порядком точности (аппроксимации) вычислить значения производных [math]\Bigl.{\widehat{f}^{(p)}(x)}\Bigr\|_{x=x_j}[/math] в точках [math]x_j[/math] сетки (получить аппроксимационный оператор), где [math]p[/math] — порядок производной. Постановка задачи численного интегрирования Задача 1. Пусть на отрезке [math][a,b][/math] на равномерной сетке [math]\Omega_n~ (h_{i+1}=h=\text{const})[/math] заданы: а) сеточная функция [math]y_i= f(x_i),~ i=\overline{0,n}[/math], своими значениями [math]f_i= f(x_i)[/math] или сеточное представление формульной функции [math]y=f(x)[/math]; б) желаемый порядок [math]t[/math] точности (аппроксимации) относительно величины шага [math]h[/math]. Требуется с заданным порядком точности вычислить значение интеграла [math]\widehat{I}_a^b\cong I_a^b= \int\limits_{a}^{b} f(x)\,dx\,.[/math] Иначе требуется получить аппроксимационный оператор интегрирования [math]\widehat{I}_a^b[/math], удовлетворяющий условию [math]\bigl\|\widehat{I}_a^b-I_a^b\bigr\| \leqslant C\,h^t[/math], где [math]C=\text{const}[/math], не зависящая от [math]h[/math]. Задача 2. Пусть на отрезке [math][a,b][/math] в общем случае на неравномерной сетке [math]\Omega_n= \bigl\{x_0,x_1,\ldots,x_n\bigr\}\quad (x_{i+1}= x_i+h_{i+1},~ i=\overline{0,n-1},~ h_{i+1}=x_{i+1}-x_i=\text{var})[/math] заданы: а) сеточная функция [math]y_i=f(x_i)~ i=\overline{0,n}[/math], своими значениями [math]f_i= f(x_i)[/math] и возможно значениями производных [math]f^{(p)}(x)[/math]; б) желаемый порядок [math]t[/math] точности (аппроксимации) относительно шага. Требуется с заданным порядком точности вычислить значение интеграла (получить аппроксимационный оператор) [math]\widehat{I}_a^b\cong I_a^b= \int\limits_{a}^{b} f(x)\,dx\,.[/math] Отметим, что символом "^" здесь и далее обозначаются операторы дифференцирования и интегрирования. Построение аппроксимационных формул для производных и интегралов в данной книге выполняется различными путями на основе: 1) разложения функции [math]f(x)[/math] по формуле Тейлора; 2) разложения первообразной функции [math]F(x)[/math] по формуле Тейлора; 3) замены заданной функции интерполяционными многочленами и последующим дифференцированием или интегрированием этих многочленов. Дополнительные возможности построения аппроксимационных операторов предоставляют интегрально-дифференциальные сплайны (ИД-сплайны). Общая интегрально-функционально-дифференциальная формула для аппрок-симационного оператора дифференцирования [math]\widehat{h}^{(p)}(x_j)[/math] может быть записана в форме [math]\widehat{h}^{(p)}(x_j)= \sum\limits_{k_1} \Bigl(\sum\limits_{l_1} a_{k_1,l_1}(h) \Bigr)I_{k_1}^{k_1+1}+ \sum\limits_{k_2} \Bigl(\sum\limits_{l_2} b_{k_2,l_2}(h)\Bigr)f_{k_2}+ \sum\limits_{k_3}\Bigl(\sum\limits_{l_3} c_{k_3,l_3}(h)\Bigr)f'_{k_3}+ \ldots,[/math] (5.1) где [math]a_{k_1,l_1}(h),\, b_{k_2,l_2}(h),\, c_{k_3,l_3}(h),\,\ldots[/math] — коэффициенты, индексы при [math]h[/math] для упрощения записи не указаны. Общая функционально-дифференциальная формула для аппроксимационного оператора интегрирования [math]\widehat{I}_{i}^{i+1}[/math] может быть записана в виде [math]\widehat{I}_{i}^{i+1}= h \sum\limits_{k_1}a_{k_1}(h) f_{k_1}+ h^2 \sum\limits_{k_2} b_{k_2}(h) f'_{k_2}+ h^3\sum\limits_{k_3}c_{k_3}(h) f''_{k_3}+\ldots,[/math] (5.2) где [math]a_{k_1}(h),\, b_{k_2}(h),\, c_{k_3}(h),\,\ldots[/math] - коэффициенты. Возможность такого комбинированного представления следует из разложения первообразной [math]F(x)[/math] по формуле Тейлора относительно точки [math]x_i[/math] и последующего выражения из него производной некоторого порядка или определенного интеграла. В формулы (5.1), (5.2), очевидно, входят суммы нескольких групп линейных комбинаций. Так, вторая сумма в (5.1) и первая сумма в (5.2) соответствуют функциональным комбинациям, первая сумма в (5.1) соответствует интегральной части суммы. Дифференциальным комбинациям соответствуют третья и последующие части в (5.1) и вторая, третья и т.д. суммы в (5.2). Если в (5.1) присутствуют только интегральные комбинации, формула численного дифференцирования называется интегральной, если только функциональные комбинации — функциональной (или точечной), а если только дифференциальные комбинации — дифференциальной. Если же в (5.1) отсутствуют интегральные комбинации, формула называется функционально-дифференциальной, если отсутствуют функциональные комбинации — интегрально-дифференциальной, если отсутствуют дифференциальные комбинации — интегрально-функциональной. Аналогичная классификация справедлива и для формулы (5.2) численного интегрирования. Метод Рунге уточнения результатов численного дифференцирования и интегрирования Этот метод является апостериорным, и он основан на получении поправки, выражаемой через два приближенных результата [math]z_{hk}[/math] и [math]z_h[/math], получающихся на двух равномерных сетках с шагами [math]h[/math] и [math]kh[/math], где [math]k[/math] — коэффициент, характеризующий уменьшение шага [math](k<1)[/math] или его увеличение [math](k>1)[/math] при переходе с одной сетки на другую. Наиболее распространен способ генерации поправки в итерационном процессе с [math]k=1\!\!\not{\phantom{\|}}\,2[/math] при необходимости снижения погрешности и [math]k=2[/math] при возможном ее увеличении. Общая формула уточненного результата, получающегося на двух сетках с [math]h[/math] и [math]kh[/math], записывается в виде [math]z= z_{hk}+\frac{z_{hk}-z_h}{(1\!\!\not{\phantom{\|}}\,k)^p-1}\,,[/math] (5.79) где [math]p[/math] - порядок точности метода, по которому рассчитаны [math]z_{hk}[/math] и [math]z_h[/math]. Второе слагаемое в правой части (5.79) представляет собой поправку или апостериорную оценку точности результата, получаемого на сетке с параметром [math]kh[/math]. Если заданная точность не достигается, то при [math]k<1[/math] процесс продолжается путем дробления шага и перехода на новую, более мелкую сетку. Если же указанное.слагаемое намного меньше заданной точности, то в алгоритме необходимо перейти на укрупненную сетку, полагая, например, [math]k=2[/math]. Данную методику рассмотрим применительно к расчету производных на основе сгущающихся сеток [math](k=1\!\!\not{\phantom{\|}}\,2)[/math], когда для первоначального вычисления производных принимается одна из формул (5.10). Схема уточнения приведена в табл. 5.5, где численные значения производных обозначены символом [math]Z[/math] с двумя нижними индексами, первый из которых (т>\) указывает на ступени уточнения ([math]m=1[/math] — первая, [math]m=2[/math] — вторая и т.д.), а второй — [math]k[/math] — на порядковые номера значений производных, полученных при различных шагах на каждой ступени уточнения. Начиная с третьей колонки таблицы помещаются значения [math]Z_{0,0},Z_{0,1},\ldots[/math], полученные по некоторой исходной аппроксимационной формуле при различных шагах разбиения сетки: [math]h_0,\quad h_1=\frac{h_0}{2},\quad h_2=\frac{h_1}{2},\quad \ldots,\quad h_{k+1}=\frac{h_k}{2},\quad \ldots[/math] В последующих колонках таблицы приводятся значения производных, рассчитанных по формуле (5.79), которая может быть записана в виде [math]Z_{m,k}= Z_{m-1,k+1}+ \frac{Z_{m-1,k+1}-Z_{m-1,k}}{2^{2m}-1}\,,[/math] (5.80) где значение [math]2m[/math] соответствует порядку аппроксимации [math]p[/math]. Порядок уточнения численных результатов Пусть по заданной сеточной функции [math]y_i= f(x_i),~ i=\overline{0,n}[/math], в некоторой фиксированной точке [math]x_j=x_i[/math] производная вначале рассчитывается по формуле (5.10) второго порядка аппроксимации [math]Z_{0,k}= \frac{f(x_i+h_k)-f(x_i-h_k)}{2h_k}\quad (O(h^2)).[/math] (5.81) Тогда уточнение до порядка [math]O(h^6)[/math] производится следующим образом. 1. По формуле (5.81) рассчитываются значения [math]Z_{0,0},\, Z_{0,1},\, Z_{0,2}[/math] производных в заданной точке с использованием таблицы значений исходной сеточной функции. При этом для вычисления [math]Z_{0,k},~ k=0,1,2[/math], берутся значения [math]f(x_i)[/math] в тех точках сетки, которые соответствуют шагам [math]h_0,\, h_1[/math] и [math]h_2[/math]. Все величины, входящие в третью колонку таблицы, имеют порядок аппроксимации [math]O(h^2)[/math], что указано в нижней строке табл. 5.5. 2. Реализуется первая ступень процесса уточнения по формуле (5.80), в которой следует принять [math]m=1[/math] (знаменатель второго слагаемого формулы (5.80) равен 3), а [math]p=2m=2[/math]. При этом вычисляются [math]Z_{1,0}[/math] и [math]Z_{1,1}[/math]. Порядок аппроксимации результатов, получаемых в первой ступени уточнения, равен четырем. 3. Реализуется вторая ступень процесса уточнения по формуле (5.80), в которой следует принять [math]m=2[/math] (знаменатель второго слагаемого формулы (5.80) равен 15), а [math]p=2m=4[/math]. При этом вычисляется окончательное значение [math]Z_{2,0}[/math], порядок аппроксимации которого равен шести. Процесс уточнения до заданного порядка [math]p=6[/math] закончен. Замечание. В случае, когда необходимо обеспечить порядок аппроксимации, превышающий полученный, например восьмой, производятся дополнительные расчеты значений [math]Z_{0,k}[/math] при более мелких шагах и расчеты [math]Z_{1,2},\, Z_{2,1}[/math] по первой и второй ступени уточнения. После этого рассчитывается [math]Z_{3,0}[/math] с порядком [math]O(h^8)[/math] (см. табл.5.5). Данный процесс может быть продолжен и далее. Пример 5.13. Для сеточного представления функции [math]y=\sin x,~ x\in[0; 2\pi\!\!\not{\phantom{\|}}\,5][/math], заданной на сетке с шагом [math]h= \pi\!\!\not{\phantom{\|}}\,10[/math], на основе применения формулы (5.10) второго порядка и метода Рунге найти первую производную [math]\Bigl.{f'(x)}\Bigr\|_{x=\frac{\pi}{5}}[/math] с порядком [math]O(h^4)[/math]. Решение 1. По формуле (5.81) рассчитываются значения [math]Z_{0,0}[/math] и [math]Z_{0,1}[/math] производных в точке [math]x_2=\frac{\pi}{5}[/math]. При этом [math]Z_{0,0}[/math] получается при [math]h_0= \frac{2\pi}{10}[/math], а значение [math]Z_{0,1}[/math] при [math]h_1= \frac{\pi}{10}[/math]. Записывая формулу (5.81) для указанных шагов, получаем [math]\begin{gathered}f'_{2,h}= Z_{0,0}= \frac{f_4-f_0}{2h_0}= \frac{0,\!951057-0}{2\cdot \pi\!\!\not{\phantom{\|}}\,5}= 0,\!756827\,,\\[2pt] f'_{2,\frac{h}{2}}= Z_{0,1}= \frac{f_3-f_1}{2h_1}= \frac{0,\!809017-0,\!309017}{2\cdot \pi\!\!\not{\phantom{\|}}\,10}= 0,\!795775\,. \end{gathered}[/math] Исходная сеточная функция и результаты расчетов производной в точке [math]x_2[/math] помещены в табл. 5.6. Стрелочками от значений производных показаны значения функции, использованные при расчете. 2. Реализуется первая (в данном случае и последняя) ступень процесса уточнения по формуле (5.80), в которой [math]m=1[/math]. При этом принимается [math]f'_{2,\frac{h}{2}}= Z_{0,1},~ f'_{2,h}= Z_{0,0}[/math]. Тогда [math]Z_{1,0}\equiv f'_{2,\text{utochn}}= Z_{0,1}+ \frac{Z_{0,1}-Z_{0,0}}{2^2-1}= 0,\!795775+ \frac{0,\!795775-0,\!756827}{3}= 0,\!808758.[/math] Полученный результат соответствует порядку аппроксимации [math]O(h^4)[/math]. Замечание. Для уточнения результатов численного интегрирования метод Рунге реализуется аналогично. Математический форум (помощь с решением задач, обсуждение вопросов по математике). Если заметили ошибку, опечатку или есть предложения, напишите в комментариях.

Методы численного дифференцирования и интегрирования

Онлайн-сервисы

Нахождение НОД и НОК Разложение числа на простые множители Сравнения по модулю Операции над множествами Операции над векторами Разложение вектора по базису. Доказательство, что векторы образуют базис Чертёж треугольника по координатам вершин Решение треугольника Решение Пирамиды Построение Пирамиды по координатам вершин Чертёж многоугольника по координатам вершин Решение систем методом Крамера и Матричным Онлайн построение графика кривой 2-го порядка Определение вида кривой или поверхности 2-го порядка по инвариантам МНК и регрессионный анализ Онлайн + графики Онлайн число, сумма и дата прописью

Алгоритмы JavaScript

Алгоритмы поиска Алгоритмы сортировки Уникальные элементы массива Объединение, пересечение и разность массивов НОД и НОК Операции над матрицами Дата прописью

Введение в анализ

Функции: понятие, определение, графики Непрерывность функции Исследование функции и построение графика

Теория множеств

Множества: понятие, определение, примеры Точечные множества Замкнутые и открытые множества Мера множества Группы, кольца, поля в математике Поле комплексных чисел Кольцо многочленов Основная теорема алгебры и ее следствия

Математическая логика

Алгебра высказываний

Аксиоматика и логические рассуждения Методы доказательств теорем Алгебра высказываний и операции над ними Формулы алгебры высказываний Тавтологии алгебры высказываний Логическая равносильность формул Нормальные формы для формул высказываний Логическое следование формул Приложение алгебры высказываний для теорем Дедуктивные и индуктивные умозаключения Решение логических задач Принцип полной дизъюнкции

Булевы функции

Множества, отношения и функции в логике Булевы функции от одного и двух аргументов Булевы функции от n аргументов Системы булевых функций Применение булевых функций к релейно-контактным схемам Релейно-контактные схемы в ЭВМ Практическое применение булевых функций

Теория формального

Формализованное исчисление высказываний Полнота и другие свойства формализованного исчисления высказываний Независимость системы аксиом формализованного исчисления высказываний

Логика предикатов

Логика предикатов Логические операции над предикатами Кванторные операции над предикатами Формулы логики предикатов Тавтологии логики предикатов Преобразования формул и следование их предикатов Проблемы разрешения для общезначимости и выполнимости формул Применение логики предикатов в математике Строение математических теорем Аристотелева силлогистика и методы рассуждений Принцип полной дизъюнкции в предикатной форме Метод полной математической индукции Необходимые и достаточные условия Логика предикатов и алгебра множеств Формализованное исчисление предикатов

Неформальные и формаль-
ные аксиоматические теории

Неформальные аксиоматические теории Свойства аксиоматических теорий Формальные аксиоматические теории Формализация теории аристотелевых силлогизмов Свойства формализованного исчисления предикатов Формальные теории первого порядка Формализация математической теории

Теория алгоритмов

Интуитивное представление об алгоритмах Машины Тьюринга и тезис Рекурсивные функции Нормальные алгоритмы Маркова Разрешимость и перечислимость множеств Неразрешимые алгоритмические проблемы Теорема Гёделя о неполноте формальной арифметики

Математическая логика и компьютеры

Математическая логика и языки программирования Применение компьютеров для доказательства теорем математической логики Математическая логика и логическое программирование Математическая логика и информатика Математическая логика и искусственный интеллект

Дискретная математика

Множества и отношения

Теория множеств: понятия и определения Операции над множествами Кортеж и декартово произведение множеств Соответствия и бинарные отношения на множествах Операции над соответствиями на множествах Семейства множеств Специальные свойства бинарных отношений Отношения эквивалентности на множестве Упорядоченные множества Теорема о неподвижной точке Мощность множества Парадокс Рассела Метод характеристических функций

Группы и кольца

Алгебраические структуры и операции Группоиды, полугруппы, группы Кольца, тела, поля Области целостности в теории колец Модули и линейные пространства Подгруппы и подкольца Теорема Лагранжа о порядке конечной группы Гомоморфизмы групп и нормальные делители Гомоморфизмы и изоморфизмы колец Алгебра кватернионов

Полукольца и булевы алгебры

Полукольца: определение, аксиомы, примеры Замкнутые полукольца Полукольца и системы линейных уравнений Булевы алгебры и полукольца Решетки и полурешетки

Алгебраические системы

Алгебраические системы: модели и алгебры Подсистемы алгебраических систем Конгруэнции и фактор-системы Гомоморфизмы алгебраических систем Прямые произведения алгебраических систем Конечные булевы алгебры Многосортные алгебры

Теория графов

Теория графов: основные понятия и определения Способы представления графов Неориентированные и ориентированные деревья Остовное дерево и алгоритм Краскала Методы систематического обхода вершин графа Алгоритмы поиска в глубину и ширину в графах Задача о путях во взвешенных ориентированных графах Изоморфизм, гомоморфизм и автоморфизм графов Топологическая сортировка вершин графа Элементы цикломатики в теории графов

Булева алгебра и функции

Булевы функции и булев куб Таблицы булевых функций и булев оператор Равенство булевых функций. Фиктивные переменные Формулы и суперпозиции булевых функций Дизъюнктивные и конъюнктивные нормальные формы Построение минимальных ДНФ Теорема Поста и классы Критерий Поста Схемы из функциональных элементов

Конечные автоматы и регулярные языки

Конечные автоматы и регулярные языки Алфавит, слово, язык в программировании Порождающие грамматики (грамматики Хомского) Классификация грамматик и языков Регулярные языки и регулярные выражения Конечные автоматы Допустимость языка конечным автоматом Теорема Клини Детерминизация конечных автоматов Минимизация конечных автоматов Лемма о разрастании для регулярных языков Обоснование алгоритма детерминизации автоматов Конечные автоматы с выходом Морфизмы и конечные подстановки Машины Тьюринга

Контекстно-свободные языки

Контекстно-свободные языки и грамматики Приведенная форма КС-грамматики Лемма о разрастании для КС-языков Магазинные автоматы (автомат с магазинной памятью) Алгоритм построения МП-автомата по КС-грамматике Алгоритм построения КС-грамматики по МП-автомату Алгебраические свойства КС-языков Основное свойство суперпозиции КС-языков Пересечение контекстно-свободных языков Методы синтаксического анализа КС-языков Восходящий синтаксический анализ и LR(k)-грамматики Семантика формальных языков Принцип индукции по неподвижной точке Графовое представление МП-автоматов

Интегральное исчисление

Неопределённый и определённый

Неопределенный и определенный интегралы Свойства интегралов Интегрирование по частям Интегрирование методом замены переменной Интегрирование различных рациональных функций Интегрирование различных иррациональных функций Интегрирование различных тригонометрических функций Определенный интеграл и его основные свойства Необходимое и достаточное условие интегрируемости Теоремы существования первообразной Свойства определенных интегралов Несобственные интегралы Интегральное определение логарифмической функции

Приложения интегралов

Вычисление площадей плоских фигур Площади фигур в различных координатах Вычисление объемов тел с помощью интегралов Объём тела вращения Вычисление длин дуг кривых Формулы длины дуги регулярной кривой Кривизна плоской кривой Площадь поверхности вращения тела

Интегралы в физике

Статические моменты и координаты центра тяжести Теоремы Гульдина–Паппа Вычисление моментов инерции Другие приложения интегралов в физике

Основные интегралы

Интеграл Ньютона-Лейбница Интеграл Римана Интеграл Лебега

Вариационное исчисление

Примеры вариационных задач Дифференциальное уравнение Эйлера Функционалы, зависящие от нескольких функций Задача о минимуме кратного интеграла

Финансовый анализ

Анализ эффективности

Критерии и показатели эффективности предприятия Методы анализа эффективности деятельности Факторный анализ прибыли от операционной деятельности Анализ безубыточности предприятия Операционный рычаг и эффект финансового рычага Анализ и оценка состава, структуры и динамики доходов и расходов Анализ рентабельности и резервов устойчивого роста капитала Анализ распределения прибыли предприятия Анализ и оценка чувствительности показателей эффективности

Анализ устойчивости

Финансовая устойчивость и долгосрочная платежеспособность Характеристика типов финансовой устойчивости

Рыночная активность

Финансовый анализ рыночной активности Методика анализа рыночной активности Анализ и оценка дивидендного дохода на одну акцию

Инвестиционная деятельность

Инвестиции: экономическая сущность и классификация Государственное регулирование инвестиционной деятельности Источники финансовых ресурсов на капитальные вложения Инвестиции в основные фонды Оценка состояния основных фондов Амортизация основных фондов Капитальное строительство в инвестиционном процессе Планирование инвестиций в форме капитальных вложений Экономическая эффективность инвестиций Финансирование капитальных вложений Кредитование капитальных вложений Кредитоспособность Финансирование и кредитование затрат Финансирование и кредитование инвестиционной деятельности потребительской кооперации Финансирование и кредитование капитальных вложений потребительской кооперации Инвестиционное строительное проектирование

Анализ инвестиций

Инвестиции и инвестиционная деятельность предприятия Задачи финансового анализа инвестиций предприятия Учет фактора времени в инвестиционной деятельности Аннуитет и финансовая рента в инвестициях Учет фактора инфляции при инвестировании Оценка фактора риска инвестиционного проекта Методы оценки эффективности инвестиций Показатели эффективности инвестиционного проекта

Стоимость компании

Концепция построения международных стандартов финансовой отчетности (МСФО) Экономическое содержание международных стандартов финансовой отчётности Цели и принципы оценки стоимости акций и активов компании Оценка акций и активов предприятия по справедливой стоимости Методы оценки справедливой стоимости акций предприятия Затратный подход к оценки стоимости компаний и акций Сравнительный подход к оценки стоимости предприятий и акций Доходный подход к оценке стоимости компании и акций Выбор ставки дисконтирования при инвестировании в акции Метод капитализации прибыли Сравнение подходов к оценке стоимости компаний и пакетов акций

Форвардные контракты

Форвардный контракт и цена Форвардная цена акции на бирже Цена форвардного контракта инвестора Форвардная цена акции с учетом величины дивиденда Форвардная цена акции с учетом ставки дивиденда Форвардная цена валюты на рынке форекс Форвардный валютный курс и инфляция на рынке Форвардная цена товара и спотовый рынок Форвардная цена при различии ставок по кредитам и депозитам Синтетический форвардный контракт на акции и валюту

Теория вероятностей

Основные понятия теории вероятностей Зависимые и независимые случайные события Повторные независимые испытания Формула Бернулли Одномерные случайные величины Многомерные случайные величины Функции случайных величин Законы распределения целочисленных случайных величин Законы распределения непрерывных случайных величин Предельные теоремы теории вероятностей Закон больших чисел и предельные теоремы Вероятностные закономерности

Математическая статистика

Элементы математической статистики Выборочный метод Оценки параметров генеральной совокупности Статистические гипотезы Критерии согласия Теоретические и эмпирические частоты

Теория очередей (СМО)

Определение системы массового обслуживания Уравнения Колмогорова Предельные вероятности состояний Определение СМО с отказами Определение СМО с ожиданием (очередью)

Аналитическая геометрия

Векторная алгебра

Метрические понятия и аксиомы геометрии Равенство и подобие геометрических фигур Бинарные отношения Вектор, его направление и длина Линейные операции над векторами Линейная зависимость и независимость векторов Отношение коллинеарных векторов Проекции векторов на прямую и на плоскость Угол между векторами Ортогональные проекции векторов Координата вектора на прямой и базис Координаты вектора на плоскости и базис Координаты вектора в пространстве и базис Операции над векторами в координатной форме Ортогональный и ортонормированный базисы Cкалярное произведение векторов и его свойства Выражение скалярного произведения через координаты векторов Векторное произведение векторов и его свойства Смешанное произведение векторов и его свойства Ориентированные площади и объемы Двойное векторное произведение и его свойства Применение векторов в задачах на аффинные свойства фигур Применение произведений векторов при решении геометрических задач Применение векторной алгебры в механике

Системы координат

Прямоугольные координаты Преобразования прямоугольных координат Полярная система координат Цилиндрическая система координат Сферические координаты Аффинные координаты Аффинные преобразования координат Аффинные преобразования плоскости Примеры аффинных преобразований плоскости Аффинные преобразования пространства Многомерное координатное пространство Линейные и аффинные подпространства Скалярное произведение n-мерных векторов Преобразования систем координат

Геометрия на плоскости

Алгебраические линии на плоскости Общие уравнения геометрических мест точек Алгебраические уравнения линий на плоскости Уравнения прямой, проходящей через точку перпендикулярно вектору Уравнения прямой, проходящей через точку коллинеарно вектору Уравнения прямой, проходящей через две точки Уравнения прямой с угловым коэффициентом Взаимное расположение прямых Примеры задач с прямыми на плоскости Системы неравенств с двумя неизвестными Системы линейных уравнений с двумя неизвестными

Линии 2-го порядка

Канонические уравнения линий второго порядка Порядок приведения уравнения линии к каноническому виду Эллипс Гипербола Парабола Квадратичные неравенства с двумя неизвестными Применение линий 1-го и 2-го порядков в задачах на экстремум функций

Инварианты линий

Классификация линий 2-го порядка по инвариантам Приведение уравнения линии к каноническому виду по инвариантам

Геометрия в пространстве

Способы задания ГМТ в пространстве Алгебраические уравнения поверхностей Уравнения плоскости, проходящей через точку перпендикулярно вектору Уравнения плоскости, компланарной двум неколлинеарным векторам Уравнения плоскости, проходящей через три точки Взаимное расположение плоскостей Типовые задачи с плоскостями Уравнения прямых в пространстве Взаимное расположение прямых в пространстве Типовые задачи с прямыми в пространстве

Поверхности 2-го порядка

Канонические уравнения поверхностей Порядок приведения уравнения поверхности к каноническому виду Поверхности второго порядка Эллипсоиды Гиперболоиды Конусы Параболоиды Применение поверхностей 1-го и 2-го порядков в задачах на экстремум функций

Инварианты поверхностей

Классификация поверхностей 2-го порядка по инвариантам Квадратичные неравенства с тремя неизвестными Приведение уравнения поверхности к канониче-скому виду по инвариантам

Линейная алгебра

Матрицы и операции

Линейные операции над матрицами Умножение матриц Возведение матриц в степень Многочлены от матриц Транспонирование и сопряжение матриц Блочные матрицы Произведение и сумма матриц Кронекера Метод Гаусса приведения матрицы к ступенчатому виду Элементарные преобразования матриц

Определители

Определители матриц и их основные свойства Формула полного разложения определителя Формула Лапласа полного разложения определителя Определитель произведения матриц Методы вычисления определителей

Ранг матрицы

Линейная зависимость и линейная независимость строк (столбцов) матрицы Ранг матрицы и базисный минор матрицы Методы вычисления ранга матрицы Ранг системы столбцов (строк)

Обратная матрица

Обратные матрицы и их свойства Ортогональные и унитарные матрицы Способы нахождения обратной матрицы Матричные уравнения Односторонние обратные матрицы Скелетное разложение матрицы Полуобратная матрица Псевдообратная матрица

Системы уравнений

Системы линейных алгебраических уравнений Метод Гаусса решения систем линейных уравнений Структура общего решения системы уравнений Решение систем с помощью полуобратных матриц Псевдорешения системы линейных уравнений

Функциональные матрицы

Функциональные матрицы скалярного аргумента Производные матриц по векторному аргументу Линейные и квадратичные формы и их преобразования Приведение форм к каноническому виду Закон инерции вещественных квадратичных форм Знакоопределенность форм вещественных квадратичных Формы и исследование функций на экстремум

Многочленные матрицы

Многочленные матрицы (лямбда-матрицы) Операции над лямбда-матрицами Простые преобразования многочленных матриц Инвариантные множители многочленной матрицы

Функции от матриц

Собственные векторы и значения матрицы Подобие числовых матриц Характеристический многочлен матрицы Минимальный многочлен матрицы Теорема Гамильтона-Кэли Жорданова форма матрицы Приведение матрицы к жордановой форме Многочлены от матриц Применение многочленов от матриц Функции от матриц

Линейные пространства

Линейные пространства: определение и примеры Линейная зависимость и независимость n-мерных векторов Размерность и базис линейного пространства Преобразования координат в линейном пространстве Изоморфизм линейных пространств

Подпространства

Подпространства линейного пространства Пересечение и сумма подпространств Способы описания подпространств Нахождение дополнения и суммы подпространств Нахождение пересечения подпространств

Линейные отображения

Линейные многообразия Линейные отображения Матрица линейного отображения Ядро и образ линейного отображения

Линейные операторы

Линейные операторы (преобразования) Инвариантные подпространства Собственные векторы и значения оператора Свойства собственных векторов операторов Канонический вид линейного оператора Методика приведения линейного преобразования к каноническому виду

Евклидовы пространства

Комплексный анализ

Комплексные числа

Комплексные числа в алгебраической форме Комплексные числа в тригонометрической и показательной формах Множества на комплексной плоскости Последовательности и ряды комплексных чисел

Комплексные функции

Функции комплексного переменного. Предел, непрерывность и производная Элементарные функции комплексного переменного Дифференцирование функций комплексного переменного Аналитические функции и их свойства Конформные отображения
и их свойства Интегрирование функций комплексного переменного

Функциональные ряды в комплексной области

Функциональные ряды и последовательности Степенные ряды и их свойства Разложение функций в степенные ряды Нули аналитических функций Ряд Лорана и разложение функций по целым степеням

Особые точки, Вычеты

Изолированные особые точки функций и полюсы Вычеты и их применение Вычисление интегралов с помощью вычетов Вычеты и расположение нулей многочлена

Операционное исчисление

Преобразование Лапласа и его свойства Решение ДУ операционным методом Анализ выходных процессов линейных стационарных систем Z-преобразование и его свойства

Дифференциальные уравнения

ДУ первого порядка

Основные понятия и определения ДУ Метод изоклин для ДУ 1-го порядка Метод последовательных приближений ДУ с разделяющимися переменными Однородные ДУ Линейные ДУ 1-го порядка Дифференциальное уравнение Бернулли ДУ в полных дифференциалах Интегрирующий множитель ДУ, не разрешенные относительно производной Дифференциальное уравнение Риккати Составление ДУ семейств линий Задачи на траектории Особые решения ДУ

ДУ высших порядков

Понятия и определения ДУ высших порядков ДУ, допускающие понижение порядка Линейная независимость функций Определители Вронского и Грама Однородные и неоднородные дифференциальные уравнения Задача Коши и Уравнение Эйлера Линейные ДУ с переменными коэффициентами Метод Лагранжа решения ДУ Краевые задачи для ДУ высших порядков Разложение решения ДУ в степенной ряд Разложение решения ДУ в обобщенный степенной ряд Нахождение периодических решений ДУ Асимптотическое интегрирование ДУ

Системы ДУ

Системы ДУ: понятия и определения Сведение системы ДУ к одному уравнению Нахождение интегрируемых комбинаций Интегрирование однородных линейных систем ДУ Методы интегрирования неоднородных систем ДУ Преобразование Лапласа и решение ДУ и систем

Теория устойчивости

Устойчивость решений ДУ по Ляпунову Простейшие типы точек покоя Метод функций Ляпунова Устойчивость решений ДУ по первому приближению Критерии устойчивости Рауса–Гурвица и Михайлова ДУ с малым параметром при производной

Численные методы

Методы алгебры

Численные методы линейной алгебры Численные методы решения СЛАУ Итерационный метод Шульца обратной матрицы Методы решения задач о собственных значениях и векторах матрицы Методы решения нелинейных уравнений Методы решения систем нелинейных уравнений

Методы теории приближений

Методы приближения сеточных функций Методы функциональной интерполяции Методы интегрально-дифференциальной интерполяции Методы интегрального сглаживания Методы интерполяции и сглаживания сплайнами Методы численного дифференцирования и интегрирования Методы численного дифференцирования Методы численного интегрирования

Методы решения обыкновенных ДУ

Численные методы решения задачи Коши Разностные схемы для решения задачи Коши Составные схемы для решения задачи Коши Экстраполяционные методы решения задачи Коши Непрерывно-дискретные методы решения задачи Коши Численные методы решения краевых задач

Методы решения ДУ в частных производных

Численные методы решения уравнений математической физики с двумя переменными Принципы построения разностных схем для уравнений в частных производных Разностные схемы решения уравнений в частных производных 1-го порядка Разностные схемы решения уравнений в частных производных 2-го порядка Численные методы решения уравнений в частных производных Численные методы решения уравнений математической физики с тремя переменными

Методы численного дифференцирования и интегрирования

Общие понятия

Если функция [math]f(x)[/math] непрерывна на отрезке [math][a,b][/math] и известна ее первообразная [math]F(x)[/math], то определенный интеграл от этой функции может быть вычислен по формуле Ньютона-Лейбница

[math]\int\limits_{a}^{b} f(x)\,dx= \Bigl.{F(x)}\Bigr|_{a}^{b}= F(b)-F(a),[/math]

где [math]F'(x)=f(x)[/math]. Однако во многих случаях возникают большие трудности, связанные с нахождением первообразной, или эта задача не может быть решена элементарными способами. Например, в элементарных функциях не выражается интеграл [math]\textstyle{\int\limits_{1}^{2} \dfrac{dx}{\ln x}}[/math].

Кроме того, в вычислительной практике часто требуется находить значения производных и определенных интегралов от сеточных функций, заданных в общем случае на неравномерной сетке

[math]\Omega_n= \bigl\{x_0,x_1,\ldots,x_n\bigr\},\quad x_{i+1}= x_i+h_{i+1},\quad i=\overline{0,n-1},\quad h_{i+1}= x_{i+1}-x_i.[/math]

В связи с этим в численном анализе имеется специальный математический аппарат численного дифференцирования и интегрирования, отличный от соответствующего аппарата математического анализа.

Традиционно интегралы вычисляются с помощью квадратурных формул (явно), выражающихся линейными комбинациями значений функции [math]y_i=f(x_i)[/math] в узлах сетки [math]\Omega_n[/math], функционально-дифференциальной квадратурной формулы Эйлера-Маклорена, формул Гаусса-Кристоффеля, Маркова и различных нестандартных формул. В данной главе кратко описаны как классические, так и новые методы численного дифференцирования и интегрирования, разработанные на основе аппарата интегрально-дифференциальных сплайнов. Приведен ряд обобщенных явных квадратурных формул функционально-дифференциального типа, а также описан новый способ вычисления интегралов на основе решения систем линейных алгебраических уравнений. Последний подход в отличие от способа вычисления интегралов по квадратурным формулам носит неявный характер и связан с построением неявных алгоритмов.

Особенность аппарата численного дифференцирования и интегрирования, изложенного в данной главе, состоит в том, что в некоторых аппроксимацион-ных операторах дифференцирования могут использоваться как значения сеточной функции в узлах, так и значения определенных интегралов на частичных отрезках [math][x_i,x_{i+1}][/math], а в аппроксимационных операторах интегрирования — значения функции и ее производных в узлах. В соответствии с этим далее выделяются классические постановки задач численного дифференцирования и интегрирования, формулируемые обычно на равномерной сетке [math](h_{i+1}=\text{const})[/math], и обобщенные постановки, учитывающие связи производных с интегралами в задаче численного дифференцирования и интегралов с производными в задаче численного интегрирования, формулируемые на неравномерной сетке. Классические постановки ниже нумеруются цифрой 1, а обобщенные — цифрой 2. Данные постановки относятся только к явным аппроксимационным формулам численного дифференцирования и интегрирования. Соответствующие неявные алгоритмы рассматриваются отдельно.

Постановка задачи численного дифференцирования

Задача 1. Пусть на отрезке [math][a,b][/math] на равномерной сетке [math]\Omega_n~(h_{i+1}= h=\text{const})[/math] заданы:
а) сеточная функция [math]y_i= f(x_i),~ i=\overline{0,n}[/math] своими значениями [math]f_i=f(x_i)[/math];
б) точки [math]x_j[/math] сетки [math]\Omega_n[/math], в которых требуется найти значения производных;
в) желаемый порядок [math]t[/math] точности (аппроксимации) относительно [math]h[/math].

Требуется с заданным порядком точности (аппроксимации) вычислить значения производных [math]\Bigl.{\widehat{f}^{(p)}(x)}\Bigr|_{x=x_j}[/math] в точках [math]x_j[/math] сетки, где [math]p[/math] — порядок производной.

Иначе требуется получить аппроксимационный оператор [math]\widehat{f}^{(p)}(x_j)[/math], удовлетворяющий условию [math]\bigl|f^{(p)}(x_j)-\widehat{f}^{(p)}(x_j)\bigr|\leqslant C\,h^t[/math], где [math]C=\text{const}[/math], не зависящая от величины шага [math]h[/math].

Задача 2. Пусть на отрезке [math][a,b][/math] в общем случае на неравномерной сетке

[math]\Omega_n= \bigl\{x_0,x_1,\ldots,x_n\bigr\},\quad x_{i+1}=x_i+h_{i+1},\quad i=\overline{0,n-1},\quad h_{i+1}= x_{i+1}-x_i~ (h_{i+1}=\text{var})[/math]

заданы:

а) сеточная функция [math]y_i= f(x_i),~ i=\overline{0,n}[/math], своими значениями [math]f_i= f(x_i)[/math] и (или) значениями интегралов [math]\textstyle{I_{i}^{i+1}= \int\limits_{x_i}^{x_{i+1}} f(x)dx}[/math] на частичных отрезках [math][x_i,x_{i+1}][/math];

б) точки [math]x_j[/math] сетки [math]\Omega_n[/math], в которых требуется найти значения производных;

в) желаемый порядок [math]t[/math] точности (аппроксимации) относительно величины шага.

Требуется с заданным порядком точности (аппроксимации) вычислить значения производных [math]\Bigl.{\widehat{f}^{(p)}(x)}\Bigr|_{x=x_j}[/math] в точках [math]x_j[/math] сетки (получить аппроксимационный оператор), где [math]p[/math] — порядок производной.

Постановка задачи численного интегрирования

Задача 1. Пусть на отрезке [math][a,b][/math] на равномерной сетке [math]\Omega_n~ (h_{i+1}=h=\text{const})[/math] заданы:

а) сеточная функция [math]y_i= f(x_i),~ i=\overline{0,n}[/math], своими значениями [math]f_i= f(x_i)[/math] или сеточное представление формульной функции [math]y=f(x)[/math];

б) желаемый порядок [math]t[/math] точности (аппроксимации) относительно величины шага [math]h[/math].

Требуется с заданным порядком точности вычислить значение интеграла

[math]\widehat{I}_a^b\cong I_a^b= \int\limits_{a}^{b} f(x)\,dx\,.[/math]

Иначе требуется получить аппроксимационный оператор интегрирования [math]\widehat{I}_a^b[/math], удовлетворяющий условию [math]\bigl|\widehat{I}_a^b-I_a^b\bigr| \leqslant C\,h^t[/math], где [math]C=\text{const}[/math], не зависящая от [math]h[/math].

Задача 2. Пусть на отрезке [math][a,b][/math] в общем случае на неравномерной сетке

[math]\Omega_n= \bigl\{x_0,x_1,\ldots,x_n\bigr\}\quad (x_{i+1}= x_i+h_{i+1},~ i=\overline{0,n-1},~ h_{i+1}=x_{i+1}-x_i=\text{var})[/math]

заданы:

а) сеточная функция [math]y_i=f(x_i)~ i=\overline{0,n}[/math], своими значениями [math]f_i= f(x_i)[/math] и возможно значениями производных [math]f^{(p)}(x)[/math];

б) желаемый порядок [math]t[/math] точности (аппроксимации) относительно шага.

Требуется с заданным порядком точности вычислить значение интеграла (получить аппроксимационный оператор)

[math]\widehat{I}_a^b\cong I_a^b= \int\limits_{a}^{b} f(x)\,dx\,.[/math]

Отметим, что символом "^" здесь и далее обозначаются операторы дифференцирования и интегрирования.

Построение аппроксимационных формул для производных и интегралов в данной книге выполняется различными путями на основе:

1) разложения функции [math]f(x)[/math] по формуле Тейлора;

2) разложения первообразной функции [math]F(x)[/math] по формуле Тейлора;

3) замены заданной функции интерполяционными многочленами и последующим дифференцированием или интегрированием этих многочленов. Дополнительные возможности построения аппроксимационных операторов предоставляют интегрально-дифференциальные сплайны (ИД-сплайны).

Общая интегрально-функционально-дифференциальная формула для аппрок-симационного оператора дифференцирования [math]\widehat{h}^{(p)}(x_j)[/math] может быть записана в форме

[math]\widehat{h}^{(p)}(x_j)= \sum\limits_{k_1} \Bigl(\sum\limits_{l_1} a_{k_1,l_1}(h) \Bigr)I_{k_1}^{k_1+1}+ \sum\limits_{k_2} \Bigl(\sum\limits_{l_2} b_{k_2,l_2}(h)\Bigr)f_{k_2}+ \sum\limits_{k_3}\Bigl(\sum\limits_{l_3} c_{k_3,l_3}(h)\Bigr)f'_{k_3}+ \ldots,[/math]

(5.1)

где [math]a_{k_1,l_1}(h),\, b_{k_2,l_2}(h),\, c_{k_3,l_3}(h),\,\ldots[/math] — коэффициенты, индексы при [math]h[/math] для упрощения записи не указаны.

Общая функционально-дифференциальная формула для аппроксимационного оператора интегрирования [math]\widehat{I}_{i}^{i+1}[/math] может быть записана в виде

[math]\widehat{I}_{i}^{i+1}= h \sum\limits_{k_1}a_{k_1}(h) f_{k_1}+ h^2 \sum\limits_{k_2} b_{k_2}(h) f'_{k_2}+ h^3\sum\limits_{k_3}c_{k_3}(h) f''_{k_3}+\ldots,[/math]

(5.2)

где [math]a_{k_1}(h),\, b_{k_2}(h),\, c_{k_3}(h),\,\ldots[/math] - коэффициенты.

Возможность такого комбинированного представления следует из разложения первообразной [math]F(x)[/math] по формуле Тейлора относительно точки [math]x_i[/math] и последующего выражения из него производной некоторого порядка или определенного интеграла.

В формулы (5.1), (5.2), очевидно, входят суммы нескольких групп линейных комбинаций. Так, вторая сумма в (5.1) и первая сумма в (5.2) соответствуют функциональным комбинациям, первая сумма в (5.1) соответствует интегральной части суммы. Дифференциальным комбинациям соответствуют третья и последующие части в (5.1) и вторая, третья и т.д. суммы в (5.2).

Если в (5.1) присутствуют только интегральные комбинации, формула численного дифференцирования называется интегральной, если только функциональные комбинации — функциональной (или точечной), а если только дифференциальные комбинации — дифференциальной. Если же в (5.1) отсутствуют интегральные комбинации, формула называется функционально-дифференциальной, если отсутствуют функциональные комбинации — интегрально-дифференциальной, если отсутствуют дифференциальные комбинации — интегрально-функциональной.

Аналогичная классификация справедлива и для формулы (5.2) численного интегрирования.

Метод Рунге уточнения результатов численного дифференцирования и интегрирования

Этот метод является апостериорным, и он основан на получении поправки, выражаемой через два приближенных результата [math]z_{hk}[/math] и [math]z_h[/math], получающихся на двух равномерных сетках с шагами [math]h[/math] и [math]kh[/math], где [math]k[/math] — коэффициент, характеризующий уменьшение шага [math](k<1)[/math] или его увеличение [math](k>1)[/math] при переходе с одной сетки на другую. Наиболее распространен способ генерации поправки в итерационном процессе с [math]k=1\!\!\not{\phantom{|}}\,2[/math] при необходимости снижения погрешности и [math]k=2[/math] при возможном ее увеличении.

Общая формула уточненного результата, получающегося на двух сетках с [math]h[/math] и [math]kh[/math], записывается в виде

[math]z= z_{hk}+\frac{z_{hk}-z_h}{(1\!\!\not{\phantom{|}}\,k)^p-1}\,,[/math]

(5.79)

где [math]p[/math] - порядок точности метода, по которому рассчитаны [math]z_{hk}[/math] и [math]z_h[/math]. Второе слагаемое в правой части (5.79) представляет собой поправку или апостериорную оценку точности результата, получаемого на сетке с параметром [math]kh[/math]. Если заданная точность не достигается, то при [math]k<1[/math] процесс продолжается путем дробления шага и перехода на новую, более мелкую сетку. Если же указанное.слагаемое намного меньше заданной точности, то в алгоритме необходимо перейти на укрупненную сетку, полагая, например, [math]k=2[/math].

Данную методику рассмотрим применительно к расчету производных на основе сгущающихся сеток [math](k=1\!\!\not{\phantom{|}}\,2)[/math], когда для первоначального вычисления производных принимается одна из формул (5.10). Схема уточнения приведена в табл. 5.5, где численные значения производных обозначены символом [math]Z[/math] с двумя нижними индексами, первый из которых (т>\) указывает на ступени уточнения ([math]m=1[/math] — первая, [math]m=2[/math] — вторая и т.д.), а второй — [math]k[/math] — на порядковые номера значений производных, полученных при различных шагах на каждой ступени уточнения. Начиная с третьей колонки таблицы помещаются значения [math]Z_{0,0},Z_{0,1},\ldots[/math], полученные по некоторой исходной аппроксимационной формуле при различных шагах разбиения сетки:

[math]h_0,\quad h_1=\frac{h_0}{2},\quad h_2=\frac{h_1}{2},\quad \ldots,\quad h_{k+1}=\frac{h_k}{2},\quad \ldots[/math]

В последующих колонках таблицы приводятся значения производных, рассчитанных по формуле (5.79), которая может быть записана в виде

[math]Z_{m,k}= Z_{m-1,k+1}+ \frac{Z_{m-1,k+1}-Z_{m-1,k}}{2^{2m}-1}\,,[/math]

(5.80)

где значение [math]2m[/math] соответствует порядку аппроксимации [math]p[/math].

Порядок уточнения численных результатов

Пусть по заданной сеточной функции [math]y_i= f(x_i),~ i=\overline{0,n}[/math], в некоторой фиксированной точке [math]x_j=x_i[/math] производная вначале рассчитывается по формуле (5.10) второго порядка аппроксимации

[math]Z_{0,k}= \frac{f(x_i+h_k)-f(x_i-h_k)}{2h_k}\quad (O(h^2)).[/math]

(5.81)

Тогда уточнение до порядка [math]O(h^6)[/math] производится следующим образом.

1. По формуле (5.81) рассчитываются значения [math]Z_{0,0},\, Z_{0,1},\, Z_{0,2}[/math] производных в заданной точке с использованием таблицы значений исходной сеточной функции. При этом для вычисления [math]Z_{0,k},~ k=0,1,2[/math], берутся значения [math]f(x_i)[/math] в тех точках сетки, которые соответствуют шагам [math]h_0,\, h_1[/math] и [math]h_2[/math]. Все величины, входящие в третью колонку таблицы, имеют порядок аппроксимации [math]O(h^2)[/math], что указано в нижней строке табл. 5.5.

2. Реализуется первая ступень процесса уточнения по формуле (5.80), в которой следует принять [math]m=1[/math] (знаменатель второго слагаемого формулы (5.80) равен 3), а [math]p=2m=2[/math]. При этом вычисляются [math]Z_{1,0}[/math] и [math]Z_{1,1}[/math]. Порядок аппроксимации результатов, получаемых в первой ступени уточнения, равен четырем.

3. Реализуется вторая ступень процесса уточнения по формуле (5.80), в которой следует принять [math]m=2[/math] (знаменатель второго слагаемого формулы (5.80) равен 15), а [math]p=2m=4[/math]. При этом вычисляется окончательное значение [math]Z_{2,0}[/math], порядок аппроксимации которого равен шести. Процесс уточнения до заданного порядка [math]p=6[/math] закончен.

Замечание. В случае, когда необходимо обеспечить порядок аппроксимации, превышающий полученный, например восьмой, производятся дополнительные расчеты значений [math]Z_{0,k}[/math] при более мелких шагах и расчеты [math]Z_{1,2},\, Z_{2,1}[/math] по первой и второй ступени уточнения. После этого рассчитывается [math]Z_{3,0}[/math] с порядком [math]O(h^8)[/math] (см. табл.5.5). Данный процесс может быть продолжен и далее.

Пример 5.13. Для сеточного представления функции [math]y=\sin x,~ x\in[0; 2\pi\!\!\not{\phantom{|}}\,5][/math], заданной на сетке с шагом [math]h= \pi\!\!\not{\phantom{|}}\,10[/math], на основе применения формулы (5.10) второго порядка и метода Рунге найти первую производную [math]\Bigl.{f'(x)}\Bigr|_{x=\frac{\pi}{5}}[/math] с порядком [math]O(h^4)[/math].

Решение

1. По формуле (5.81) рассчитываются значения [math]Z_{0,0}[/math] и [math]Z_{0,1}[/math] производных в точке [math]x_2=\frac{\pi}{5}[/math]. При этом [math]Z_{0,0}[/math] получается при [math]h_0= \frac{2\pi}{10}[/math], а значение [math]Z_{0,1}[/math] при [math]h_1= \frac{\pi}{10}[/math]. Записывая формулу (5.81) для указанных шагов, получаем

[math]\begin{gathered}f'_{2,h}= Z_{0,0}= \frac{f_4-f_0}{2h_0}= \frac{0,\!951057-0}{2\cdot \pi\!\!\not{\phantom{|}}\,5}= 0,\!756827\,,\\[2pt] f'_{2,\frac{h}{2}}= Z_{0,1}= \frac{f_3-f_1}{2h_1}= \frac{0,\!809017-0,\!309017}{2\cdot \pi\!\!\not{\phantom{|}}\,10}= 0,\!795775\,. \end{gathered}[/math]

Исходная сеточная функция и результаты расчетов производной в точке [math]x_2[/math] помещены в табл. 5.6.

Стрелочками от значений производных показаны значения функции, использованные при расчете.

2. Реализуется первая (в данном случае и последняя) ступень процесса уточнения по формуле (5.80), в которой [math]m=1[/math]. При этом принимается [math]f'_{2,\frac{h}{2}}= Z_{0,1},~ f'_{2,h}= Z_{0,0}[/math]. Тогда

[math]Z_{1,0}\equiv f'_{2,\text{utochn}}= Z_{0,1}+ \frac{Z_{0,1}-Z_{0,0}}{2^2-1}= 0,\!795775+ \frac{0,\!795775-0,\!756827}{3}= 0,\!808758.[/math]

Полученный результат соответствует порядку аппроксимации [math]O(h^4)[/math].

Замечание. Для уточнения результатов численного интегрирования метод Рунге реализуется аналогично.

Математический форум (помощь с решением задач, обсуждение вопросов по математике).

Если заметили ошибку, опечатку или есть предложения, напишите в комментариях.

Список статей » Список форумов

Часовой пояс: UTC + 3 часа [ Летнее время ]