![]() |
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Задача 1. Решение нелинейного уравнения ⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 4
Введение Основная задача данных методических указаний – помочь студентам-заочникам в выполнении контрольной и лабораторных работ, а также при подготовке к зачету. В методических указаниях даны пояснения к выполнению лабораторных работ, варианты заданий, общие методологические правила выполнения контрольной работы. Студентам при выполнении контрольной и лабораторных работ нужно: · решить нелинейное равнение; · решить систему линейных алгебраических уравнений; · вычислить определенный интеграл; · решить дифференциальное уравнение; · решить задачу регрессии. Все необходимые сведения для решения задач в контрольной работе и выполнения лабораторных работ, даны в п. 2, 3 данных указаний. Задание на контрольную работу Данная контрольная работа содержит 5 задач. Вариант каждой задачи выбирается в соответствии с личным учебным шифром (номером зачетной книжки).
Задача 1. Решение нелинейного уравнения Решить нелинейное уравнение Таблица 1
Задача 2. Решение систем линейных алгебраических уравнений Решить систему линейных алгебраических уравнений методом Гаусса (табл. 2). Таблица 2
Задача 3. Вычисление определенных интегралов Вычислить определенный интеграл Отрезок интегрирования [a, b] разбить на десять частей (табл. 3).
Таблица 3
Задача 4. Решение дифференциальных уравнений Решить задачу Коши для обыкновенного дифференциального уравнения Таблица 4
Задача 5. Задачи регрессии Методом наименьших квадратов построить линейную функцию для табличных данных (табл. 5). Нарисовать график полученной функции и показать исходные данные. Таблица 5
Численные методы решения задач Решение нелинейных уравнений Математические модели реальных объектов, как правило, описываются нелинейными уравнениями. Нахождение корней нелинейных уравнений - одна из древнейших математических проблем, которая не потеряла своей остроты и в наши дни: она часто встречается в самых разнообразных областях науки и техники. Постановка задачи Требуется найти такие значения аргумента x, для которых справедливо уравнение
Корень x уравнения (1) геометрически представляет собой абсциссу точки пересечения (рис. 1а), точки касания (рис. 1б) или другой общей точки (рис. 1в) графика функции
Рис. 1
Методы решения нелинейных уравнений делятся на прямые и итерационные. Прямые методы позволяют записать корни уравнения (1) в виде некоторого конечного соотношения (формулы). Примером такого решения является нахождение корней квадратного уравнения, известного из школьного курса алгебры. В дальнейшем будут рассматриваться только уравнения, которые, как правило, не имеют аналитических формул для вычисления корней уравнения. Для них приходится пользоваться итерационными методами нахождения решения, которые состоят из двух этапов: 1. Отыскание приближенного значения корня (отделение корня), т.е. нахождение такого конечного промежутка, внутри которого имеется единственное решение данного уравнения (1). Отделение корней можно осуществить аналитическим (находя критические точки функции) и графическим (путем построения графика функции) способами. Для отделения корней применяют следующий критерий: если на отрезке [a; b] функция 2. Уточнение приближенного значения до некоторой заданной степени точности. В практических задачах решением называют любое значение аргумента x отличающееся по модулю от точного значения корня x не более чем на малую величину e. В общем случае итерационный процесс состоит в последовательном уточнении начального приближения х0. Каждый такой шаг называется итерацией. В результате итераций находится последовательность приближенных значений корня х1, х2, ..., хк, ... Если эти значения с ростом k стремятся к истинному значению корня
Метод Ньютона В основе метода Ньютона (метода касательных) лежит разложение функции f(x) в ряд Тейлора: Члены, содержащие h во второй и более высоких степенях, отбрасываются, используется соотношение
Графическое представление метода показано на рис. 2. В точке (х0, f(х0)) проводят касательную к графику функции f(x) и точку пересечения ее с осью х принимают за новое приближение x1. Для него строят новую касательную, находят точку х2 и т.д. до тех пор, пока значение Счет прекращается, когда выполняется условие
Рис. 2
Метод Ньютона обладает квадратичной скоростью сходимости для.достаточно гладких функций f(x). Быстрота его сходимости в большой степени зависит от выбора начального приближения х0. Метод обеспечивает быструю сходимость, если выполняется неравенство
Достоинством этого метода является его быстрая сходимость, а недостатком то, что помимо
Пример 2.1. Найти корень уравнения
на отрезке [0; 2] с точностью e = 0, 01 методом Ньютона.
Решение Из уравнения (5) имеем
Таким образом, имеем
Условие (4) выполнено, поэтому в качестве
Проверим выполнение условия (3):
Поскольку условие не выполняется, то делаем следующую итерацию:
Условие (3) не выполнено, поэтому делаем еще одну итерацию:
Таким образом, нам потребовалось 3 итерации для нахождения корня х = 1, 172 с точностью f(х)=0, 003. Постановка задачи В общем случае система линейных алгебраических уравнений
Требуется найти неизвестные В матричной форме СЛАУ (6) записывается в виде
Матрица А системы (6) является квадратной. Определитель
Необходимым и достаточным условием того, что система (6) имеет единственное решение, является условие, что ее определитель д не равен нулю. Если D = 0, то решений может быть или бесконечное множество, если уравнения системы линейно зависимы, или не существовать ни одного, если уравнения противоречивы. Эффективность способов решения СЛАУ во многом зависит от структуры и свойств матрицы А: размерности я, обусловленности, симметричности, заполненности (т.е. соотношения между числом нулевых и ненулевых элементов), специфики расположения ненулевых элементов в матрице и др. Все существующие численные методы решения СЛАУ делятся на прямые и итерационные. Прямые методы дают точное решение задачи за конечное число операций, если все они выполняются без погрешностей округления. Эти методы сравнительно просты и наиболее универсальны, т.е. пригодны для решения широкого класса линейных систем. К прямым методам относятся методы исключения (Гаусса, Гаусса-Жордана и др.), декомпозиции и др. Итерационные методы позволяют находить приближенное решение СЛАУ путем построения последовательности приближений (итераций), начиная с некоторого начального приближения. К этому классу относятся методы простых итераций, Зейделя и множество других. Их достоинством является то, что они обладают свойством самоисправления ошибок в ходе вычислений. Недостатком является то, что они не всегда сходятся. Алгоритмы решения линейных систем с использованием итерационных методов обычно более сложные по сравнению с прямыми методами. Объем вычислений заранее определить трудно. Чаще всего итерационные методы применяются к большим системам уравнений с разреженными или слабозаполненными матрицами. Методы исключения Метод исключения Гаусса основан на приведение системы уравнений (6) к треугольному виду и является одним из наиболее часто используемых прямых методов решения СЛАУ. Процесс решения состоит из двух этапов. 1-й этап – прямой ход – система уравнений приводится к треугольному виду. Для этого на первом шаге из всех уравнений кроме первого, исключается неизвестное
2-й этап – обратный ход. Из полученной системы уравнений (7) последовательно, начиная с последнего уравнения, определяются неизвестные Если главные коэффициенты аи в системе (б) близки к нулю, то этот метод становится непригоден для нахождения решения. В этом случае применяют метод Гаусса с выбором главного элемента. Он заключается в том, что при прямом ходе производится выбор наибольшего по модулю (главного) элемента в рассматриваемом столбце и соответствующая перестановка строк. Это исключает деление на ноль при исключении неизвестных и повышает точность вычислений при наличии ошибок округления. Усовершенствованной разновидностью метода Гаусса является метод Гаусса-Жордана. Если в методе Гаусса преобразования затрагивают только уравнения, стоящие под главной диагональю, то в методе Гаусса-Жордана преобразуются также и уравнения, стоящие над главной диагональю. В результате последовательного исключения неизвестных исходная матрица приводится к диагональному виду. Достоинством этого метода является облегчение получения решения – не нужен обратный ход. Недостатком является увеличение числа операций по сравнению с классическим методом Гаусса. Алгоритмы исключения неизвестных зарекомендовали себя на практике как эффективные и надежные методы. Тем не менее, и эти алгоритмы могут не привести к решению, если система уравнений плохо обусловлена. Говорят, что линейная система уравнений (6) является плохо обусловленной, если малые изменения элементов матрицы коэффициентов А или правых частей
Пример 2.2. Решить методом Гаусса систему уравнений
Решение Прямой ход. 1-й шаг. Разделим первое уравнение системы (8) на 2:
умножим уравнение (9) на (–3) и сложим со вторым уравнением системы (8):
Умножим уравнение (9) на (–4) и сложим с третьим уравнением системы (8):
Вычтем уравнение (9) из четвертого уравнения исходной системы (8):
В результате всех преобразований получили новую систему уравнений
2-й шаг. Разделим второе уравнение полученной системы (10) на (–5):
Умножим уравнение (11) на (–3) и сложим с третьим уравнением системы (10):
Умножим уравнение (11) на (–3) и сложим с четвертым уравнением системы (10):
В итоге получили систему уравнений
3-й шаг. Делим третье уравнение полученной системы (12) на (–2, 9):
Умножим уравнение (13) на 7, 4 и сложим с третьим уравнением системы (12):
В итоге получили систему уравнений 4-й шаг. Делим четвертое уравнение полученной системы на 0, 826:
В результате всех преобразований получили треугольную систему уравнений Обратный ход. Из этой системы уравнений последовательно находим
Проверка
Постановка задачи Найти значение определенного интеграла
Общий подход к решению данной задачи следующий. Определенный интеграл I представляет собой площадь криволинейной трапеции, ограниченной кривой f(x), осью х и прямыми х = а и х = b. Разбивая интервал [a, b] на множество меньших интервалов, можно приближенно найти площадь каждой полоски, получающейся при таком разбиении, и, суммируя площади этих полосок, получить приближенное значение интеграла. При этом можно рассмотреть два способа разбиения исходного отрезка интегрирования: Разбиение на интервалы производится заранее, они обычно выбираются равными. Кроме того, если вычисление интеграла предполагается производить «вручную», то интервалы выбираются так, чтобы значения х, соответствующие концам каждого интервала, было как можно легче вычислять. К этой категории методов принадлежат методы прямоугольников, трапеций и Симпсона. Местоположение и длина интервалов определяются путем анализа: сначала ставится требование достичь наивысшей точности с заданным числом интервалов, а затем в соответствии с этим определяются их границы. Примером такого подхода является метод Гаусса. Формулы для приближенного вычисления определенного интеграла (14) вида
2.3.2. Формула Симпсона Разобьем отрезок интегрирования на 2n равных частей длиной Через каждую тройку точек проведем параболу.
В результате получим n криволинейных трапеций, ограниченных сверху параболами. На каждом отрезке
Можно доказать, что для каждой трапеции справедлива формула
Эта формула называется формулой Симпсона. В ней все ординаты с четными номерами (кроме нулевой и последней) имеют коэффициент 2, а с нечетными - 4. Формула (16) точна для полиномов третьего порядка. Абсолютная погрешность формулы (16) оценивается неравенством
Пример 2.3. Вычислить определенный интеграл
Решение Разбиваем отрезок интегрирования [а; b] на 10 частей. При этом
Для удобства сведем вычисление узлов интегрирования и значений функции в них в таблицу (табл. 6).
Таблица 6
По формуле Симпсона (16) имеем Постановка задачи Рассмотрим задачу Коши для дифференциального уравнения 1-го порядка
с начальным условием
Требуется найти функцию Хотя решение некоторых задач Коши может быть найдено аналитически, во многих случаях, в том числе для большинства задач, представляющих практический интерес, такой путь часто оказывается невозможным, например, коэффициенты или функции в дифференциальном уравнении могут содержать нелинейности или задаваться в виде таблиц экспериментальных данных. В этом случае пользуются приближенным методам решения задач Коши. Выделяют два класса приближенных методов решения задач (17), (18): одношаговые и многошаговые. Первый класс методов требует для нахождения следующего значения неизвестной функции
Методы второго класса поэтому не обладают свойством «самостартования», т.е. ими нельзя начать решение задачи Коши, оно всегда начинается одношаговыми методами. К достоинствам многошаговых методов относят в основном меньший объем памяти компьютера, требующейся для их реализации, и возможность теоретической оценки погрешности решения. Представителем класса многошаговых методов являются методы прогноза и коррекции. К классу одношаговых методов относятся методы Эйлера, Рунге-Кута и др. Как и во многих других случаях, эти два класса методов лучше сочетать, учитывая их достоинства и недостатки. Метод Рунге-Кутта Идея метода Рунге-Кутта состоит в представлении разности в виде суммы поправок
В сущности, этот метод объединяет целое семейство методов решения дифференциальных уравнений первого порядка (метод Эйлера, модифицированный метод Эйлера и др.). Наиболее распространенным из них является метод четвертого порядка точности для r = 4, ошибка при этом имеет порядок. Этот метод часто и называют методом Рунге-Кутта. Расчеты в нем проводятся по формулам
Пример 2.4. Решить уравнение с начальным условием на отрезке [1; 3] с шагом Решение Имеем
Таблица 7
Решение Сведем все вычисления, необходимые для составления
Таблица 9
Тогда система нормальных уравнений (21) имеет вид Отсюда
Получаем зависимость y = 0, 425х + 1, 175. Для сравнения полученной зависимости и исходных данных можно составить таблицу
Таким образом, разность полученных на основе прямой значений и заданных в табл. 8 составляет менее 10 %.
MathCAD Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2017-03-11; Просмотров: 1189; Нарушение авторского права страницы