Википедия

Вычислительные методы

Численные (вычислительные) методы — методы решения математических задач в численном виде.

Представление как исходных данных в задаче, так и её решения — в виде числа или набора чисел.

Многие численные методы являются частью библиотек математических программ. В системе подготовки инженеров технических специальностей являются важной составляющей.

Основами для вычислительных методов являются:

  • решение систем линейных уравнений;
  • интерполирование и приближённое вычисление функций;
  • численное интегрирование;
  • численное решение системы нелинейных уравнений;
  • численное решение обыкновенных дифференциальных уравнений;
  • численное решение уравнений в частных производных (уравнений математической физики);
  • решение задач оптимизации.


История

image
Вавилонская глиняная табличка YBC 7289 с пометками. Диагональ отображает приближение image четырьмя 60-ричными цифрами, 1 24 51 10

Вавилонские математики (II тысячелетие до н. э.) разработали для извлечения квадратного корня особый численный метод.

Вавилонская глиняная табличка YBC 7289 из вавилонской коллекции Йельского университета была создана между 1800 и 1600 годами до н. э. и демонстрирует √2 и √2/2 соответственно в шестидесятиричной системе счисления: 1;24,51,10 и 0;42,25,35 на квадрате, пересечённом двумя диагоналями. (1;24,51,10) по основанию 60 соответствует 1,41421296, что является правильным значением с точностью до 5 десятичных знаков: image

Сложные проценты вычислялись с помощью метода линейной интерполяции.

В древнем Египте для нахождения площади круга разработали особый численный метод. Также использовался итерационный метод.

В древнем Китае использовался метод ложных положений , а также применялся метод фан-чен аналогичный методу Гаусса.

В древней Индии решали системы линейных уравнений методом пропорций. Использовался метод рассеивания, а также вычисляли объемы некоторых тел.

В древней Греции Евдокс (метод исчерпывания Евдокса), Архимед (метод верхних и нижних интегральных сумм ), и Герон Александрийский (правило извлечения кубического корня)применяли численные методы к решению некоторых задач.

В средние века приближенные методы использовались для нахождения уравнений третьей и четвертой степени. В Индии проводилось разложение синуса и косинуса в бесконечные ряды.

В Новое время численные методы продолжали развиваться: Николай Кузанский нашел формулу приближенного спрямления окружностей, Рене Декарт решая задачу по преломлению света нашел овалы Декарта, Бернулли предложил метод изоклин. Исаак Ньютон предложил метод решения алгебраических уравнений (метод Ньютона).

Методология

Все задачи вычислительной математики решаются в следующей последовательности:

  1. Исходная математическая задача заменяется другой задачей — вычислительным алгоритмом. Основными требованиями к вычислительному алгоритму являются: высокая точность, устойчивость и экономичность. При переходе к дискретной модели появляется погрешность аппроксимации, а при реализации вычислений — погрешность округления, поэтому для реальных вычислительных алгоритмов проводится анализ погрешностей и устойчивости вычислительного алгоритма. В современной науке для решения задач прикладной математики формулируется математическая модель в терминах интегральных и дифференциальных уравнений функций непрерывного аргумента. Переход от континуальной к дискретной математической модели осуществляется заменой функций непрерывного аргумента функциями дискретного аргумента. В получившихся конечно-разностных уравнениях интеграл и производная представлены конечной суммой и разностным отношением, соответственно. Получившаяся модель представляет собой систему алгебраических уравнений, для решения которой с определённой точностью составляется вычислительный алгоритм, который реализуется на вычислительных машинах. При решении больших систем необходимо вычислять собственные значения и вектора матриц, сводить нелинейные системы уравнений к линейным. Для некоторых задач (, физика плазмы, экономика) модель строится непосредственно на статистической выборке или на крупных объектах. Кроме того, строятся нерегулярные системы, для которых численные методы сочетаются с теорией графов. Отдельный класс представляют некорректно поставленные задачи.
  2. Вычислительный алгоритм содержит параметр image, которого нет в исходной задаче;
  3. Выбором этого параметра image можно добиться любой близости решения второй задачи к решению первой. Для многих важных классов задач разработаны разнообразные численные методы решения. По способу дискретизации численные методы делятся на проекционные и конечно-разностные, по способу решения — на прямые и итерационные. В методах конечных разностей ставится задача определить значения функции на дискретном множестве точек, в то время как в проекционных методах функция представлена линейной комбинацией элементов. При этом дискретная функция также может рассматриваться как линейная комбинация полиномов. Прямые методы решения обладают слабой устойчивостью, в то время как итерационные методы более устойчивы и обеспечивают быструю сходимость.
  4. Неточная реализация алгоритма, вызванная округлениями при вычислениях, не меняет существенно его свойств. Необходимо помнить, что вычислительная машина выполняет только четыре основных арифметических операции. Точность решения при этом должна быть несколько выше ожидаемой точности физического эксперимента. При определении критериев и условий роста погрешности долгое время не принималась во внимание погрешность округления. Необходимость гарантированных оценок точности реальных вычислений привела к возникновению интервального анализа. Оптимальным алгоритмом считается алгоритм с минимальной погрешностью или с минимальным числом операций при заданной погрешности. При этом разрабатывается теория параллельных вычислительных алгоритмов.

Математический аппарат

Символически задача поиска неизвестной величины записывается в виде image. Для отыскания image в вычислительной математике используют одну или несколько замен пространств, в которых определены величины image, image, или функции image, чтобы сделать вычисления более удобными. Получившаяся новая задача image должна иметь решение, близкое к решению исходной задачи. Например, при вычислении интеграла image, непрерывную функцию на отрезке image можно всегда заменить полиномом image, для которого интеграл легко определяется; или же заменить интеграл конечной суммой image и решать получившуюся задачу. Для того чтобы осуществить подобную замену, необходимо отыскать конечное множество элементов, хорошо аппроксимирующих основное пространство. Последнее условие накладывает ограничения на метрическое пространство. Основным ограничением является наличие image-сети, из которого вытекает компактность пространства в себе и сепарабельность. Вместе с тем, это ограничение не является обязательным. Современные методы функционального анализа позволяют выбрать метрические пространства, наиболее подходящие условиям задачи.

При использовании численных методов возникает несколько видов погрешностей. При приближении одного числа другим возникает погрешность округления, погрешность связанная с неточными начальными данными называется неустранимой, кроме того, в связи с заменой исходной задачи на приближённую существует погрешность метода. Полная погрешность при этом складывается из погрешности метода и погрешности вычислений, иными словами, вместо уравнения image решается уравнения image, точность решения которого определяется по формуле

image

Для определения величины погрешности пользуются понятиями абсолютной и относительной погрешности, а также предельной абсолютной и относительной погрешности, при этом теория погрешностей определяет изменение величин погрешностей при различных арифметических действиях. Наряду с методами точной оценки погрешностей, в результате которых определяются предельные величины погрешностей, используют статистические методы, позволяющие определить возможность достижения отдельных погрешностей, а также учитывают математические характеристики случайных ошибок, связанных с отклонением от заданных условий опыта, когда по нескольким результатам измерения физической величины определяется её приближённое значение.

Основные способы приближения функций

Интерполяция

Для получения значения функции image, заданной таблицей значений, на промежуточных значениях аргумента строят приближённую функцию image, которая в заданных точках image, которые называются узлами интерполирования, принимает значения image, а в остальных точках принадлежат области определения функции. Чаще всего приближённая функция строится в виде алгебраического многочлена, включающего первые image элементов линейно независимой системы. На практике в качестве элементов линейно независимой системы используют последовательность степеней image: image, тригонометрических функций: image, показательных функций: image.

Для построения интерполирующей функции в таком случае необходимо решить систему из image уравнений с image неизвестными. На получившуюся матрицу системы накладываются определённые условия: ранг матрицы должен быть равен image, а image — чтобы гарантировать условие линейной независимости, image — чтобы решение задачи было однозначным, определитель матрицы image — чтобы существовало решение и притом единственное. Построение интерполяционного многочлена Лагранжа image является базовым методом решения подобного рода задач, очень ресурсоёмким и трудно расширяемым.

Следующим шагом является введение понятия разделённой разности image-го порядка на базе отношений разности значения функции в соседних узлах к расстоянию между узлами, которая в силу своего определения обладает рядом полезных свойств, в частности разделённые разности порядка image от многочлена степени image имеют степень image, то есть разности порядка image постоянны, а разности более высокого порядка равны image. Разделённые разности позволяют переписать интерполяционный многочлен Лагранжа в виде, более удобном для вычислений. Новая формула носит название интерполяционного многочлена Ньютона, в случае равных промежутков формула значительно упрощается. С использованием разделённых разностей строятся интерполяционные формулы Гаусса, Стирлинга, Бесселя, Эверетта. В общем случае разделённые разности сначала убывают с повышением порядка, а затем начинают снова расти, иными словами, нет смысла использовать разности высоких порядков в вычислениях. При этом возникает вопрос сходимости интерполяционного процесса, для решения которого привлекаются различные методы математического анализа.

image
Разделённые разности для функции у=2х³-2х²+3х-1

Равномерные приближения

При решении практических задач необходимо многократно вычислять значения заданной функции, что в общем случае является ресурсоёмкой операцией. Возникает необходимость нахождения функции наилучшего равномерного приближения. Для приближения функции в линейном нормированном пространстве образуют подпространство размерности image всевозможных линейных комбинаций, для которых опеределена норма и существует её точная нижняя грань. Элемент, в котором эта грань достигается называют элементом наилучшего приближения, или проекцией. Можно доказать что в подпространстве всегда существует элемент наилучшего приближения, а при условии строгой нормированности пространства такой элемент является единственным. В пространстве непрерывных функций с нормой

image

также существует элемент наилучшего приближения, но условием его единственности является наличие не более image различных нулей обобщённого многочлена на отрезке (Многочлены Чебышёва).

image
Многочлены Чебышёва

Теория функций применима к системе степенных функций, так как она является системой Чебышёва на любом отрезке. Согласно теореме Вейерштрасса, при увеличении размерности подпространства (image) разность между проекцией и заданной функцией стремится к нулю. Порядок этого приближения зависит от структурных особенностей функции, его можно определить с помощью многочленов Бернштейна. Система тригонометрических функций также обладает свойствами системы Чебышёва на отрезке image, для неё также разность между проекцией и заданной функцией стремится к нулю.

Несмотря на показанное существование многочлена наилучшего приближения, способов его точного построения не существует. Вместо этого используют несколько способов приближённого построения многочленов наилучшего равномерного приближения.

Среднеквадратичные приближения

Во многих случаях требование равномерного приближения является избыточным и достаточно «интегральной» близости функций, кроме того значения приближённых функций, полученные из эксперимента, несут на себе случайные погрешности, а требовать совпадения приближающей и приближаемой функции, если последняя содержит неточности, нецелесообразно. Метод среднеквадратичного приближения принимает за меру близости следующую величину

image

что позволяет отказаться от интерполяции подынтегральной функции и требования непрерывности, сохранив только требования интегрируемости с квадратом.

Численное дифференцирование и интегрирование

Уравнение вида image, определённое на функциональном пространстве, может содержать операторы дифференцирования и интегрирования, для которых невозможно найти точное решение. Методы численного дифференцирования и интегрирования основаны на интерполяции.

Производную основной функции считают приближённо равной производной интерполирующей функции, при этом производная остаточного члена интерполяционной формулы может быть велика, особенно для производных высших порядков. Формулы численного дифференцирования во многом основаны на непосредственном дифференцировании интерполяционных формул Ньютона, Гаусса, Стирлинга и Бесселя, построенных на распределённых разностях, но есть и безразностные формулы. В частности, когда для численного дифференциала используется непосредственно формула Лагранжа для равных промежутков, метод неопределённых коэффициентов и другие.

image
Численное интегрирование по формуле Симпсона

В случае интегрирования, само определение интеграла говорит о возможности его замены интегральной суммой, но этот приём обладает медленной сходимостью и мало пригоден. Интеграл от основной функции считают приближённо равным интегралу от интерполирующей функции и в дальнейшем используют интерполяционные формулы с кратными узлами. Использование в качестве подынтегрального выражения интерполяционного многочлена Лагранжа для равных промежутков приводит к и её частным случаям, формуле трапеций, когда кривая подынтегрального выражения заменяется хордой и интеграл равен площади трапеции, и формуле Симпсона, когда кривая подынтегрального выражения заменяется параболой, проходящей через три точки. Отказавшись от требования равных промежутков с помощью интерполяционного многочлена Лагранжа можно получить более точные формулы численного интегрирования, в частности формулы Гаусса, формулы Эрмита, формулы Маркова, формулы Чебышёва. Квадратурные процессы, построенные на интерполяционных формулах Гаусса, всегда сходятся, в то время как формулы Ньютона — Котеса этим свойствам в общем случае не обладают.

Существуют и другие способы численного интегрирования, основным из которых является использование формул Эйлера, в которых замена переменных и последующее интегрирование по частям приводят к формуле численного интегрирования трапецией и поправочного члена, к которому повторно применяется замена переменных и интегрирование по частям. В общем случае формула Эйлера использует в качестве коэффициентов числа и многочлены Бернулли. Вопрос применения того или иного метода численного интегрирования зависит от таких факторов, как вычислительные средства, требуемая точность, способ задания подынтегральной функции. Для ручных вычислений рекомендуется использовать формулы, содержащие разности, в то время как при автоматических вычислениях — безразностные формулы, в особенности формулы Гаусса.

image
Численное интегрирование методами Монте-Карло

Для приближённого вычисления кратных интегралов повторно применяют формулы численного интегрирования однократных интегралов, при этом в зависимости от особенностей функции для разных интегралов можно использовать разные формулы. При использовании данного метода необходимо вычислять подынтегральную функцию в большом числе точек, поэтому целесообразно использовать формулы Гаусса и Чебышёва, которые являются более точными. Другим способом является замена подынтегральной функции интерполяционным многочленом от двух или несколько переменных. Люстерник и Диткин предложили использовать формулы Маклорена для приближённого вычисления кратного интеграла. Вместе с тем, при увеличении кратности интеграла резко растёт число точек, для которых необходимо знать значения подынтегральной функции, чтобы пользоваться методами, основанными на интерполяции. Для вычисления кратных интегралов чаще пользуются вероятностными методами Монте-Карло, при этом необходимость получения равновозможных последовательностей создаёт дополнительные погрешности, которые трудно оценить.

Решение систем линейных алгебраических уравнений

Существует две группы методов решения систем линейных алгебраических уравнений: точные методы позволяют с помощью конечного числа операций получить точные значения неизвестных и включают преобразование системы к простому виду и решение упрощённой системы; методы последовательных приближений на основе начальных приближений позволяют получить «улучшенные» приближённые значения, для которых следует последовательно повторить операцию «улучшения»; методы Монте-Карло позволяют на основании математического ожидания случайных величин получить решение системы.

Известный из школьного курса алгебры метод исключения позволяет свести матрицу системы к диагональному или треугольному виду. Схема исключения Гаусса с выбором главного элемента, который необходим чтобы уменьшить вычислительную погрешность, включает прямой ход (собственно процесс исключения) и обратный ход (решение системы с треугольной матрицей). Её компактный вариант используется для определения обратной матрицы, что может быть полезно если в системе линейных уравнений меняется только правая часть и для вычисления определителей. Схема Жордана позволяет облегчить обратный ход, а в схеме без обратного хода, которая основана на преобразовании клеточной матрицы image, последний и не требуется. Условие симметричности матрицы позволяет сделать ряд упрощений и воспользоваться методом квадратного корня, в котором матрица системы представляется как произведение нижней треугольной матрицы на транспонированную по отношению к ней матрицу, в котором элементы треугольных матриц определяются по формулам через произведения элементы первоначальной матрицы (при отсутствии условия положительно определённой матрицы некоторые формулы могут содержать мнимые элементы), а система затем решается в два этапа через решение вспомогательных систем построенных на треугольных матрицах. Существуют также метод ортогонализации, основанный на свойствах скалярного произведения, метод сопряжённых градиентов, при котором строится вспомогательная функция, которая образует семейство эллипсоидов с общим центром и для которой необходимо найти вектор, при котором она принимает минимальное значение. Для матриц высокого порядка применяют метод разбиения на клетки, когда задачу сводят к решению задач для матриц низших порядков.

В случае последовательных приближений используется рекуррентная формула

image

где image — функция, которая зависит от матрицы системы, правой части, номера приближения и предыдущих приближений image, где image — начальный вектор. При этом считается, что метод имеет первый порядок, если функция зависит только от последнего из предыдущих приближений. В этом случае формула image может быть записана в виде image, где image. Для удобства вычислений желательно использовать диагональную или треугольную матрицу image, которую будет удобно обратить. В зависимости от выбора этой матрицы методы называют полношаговыми и одношаговыми, соответственно. К линейным полношаговым методам относят простую итерацию, метод Ричардсона; к линейным одношаговым методам — метод Зейделя, релаксационный метод; к нелинейным методам — метод скорейшего спуска.

Решение алгебраических уравнений высших степеней и трансцендентных уравнений

Решения алгебраического уравнения image, где в левой части находится функция действительного или комплексного аргумента, лежит в комплексной плоскости. Для его определения в первую очередь необходимо заключить каждый корень в достаточно малую область, то есть отделить его, для чего часто используют графические методы. Для действительных корней используют также обобщённое правило Декарта, теорему Штурма, метод Фурье. Широкое применение нашёл метод квадратного корня, или метод Лобачевского. В его основной формулировке он применим к действительным корням, далеко отстоящим друг от друга, но существуют обобщения как на комплексные, так и на действительные равные или близкие корни.

Итерационные методы решения алгебраических уравнений делятся на стационарные, когда функции ставится в соответствие другая функция с теми же корнями, не зависящая от номера итерации, и нестационарные, когда функция может зависеть от номера итерации. К простейшим стационарным итерационным методам относят метод секущих (или метод линейного интерполирования) и метод касательных (или метод Ньютона), которые являются методами первого и второго порядка, соответственно. Комбинация этих методов, при которой последовательные приближения лежат по разные стороны от корня, позволяет достичь более быстрой сходимости. Метод Чебышева, основанный на разложении обратной функции по формуле Тейлора, позволяет построить методы более высоких порядков, обладающие очень быстрой сходимостью. Существуют также метод, основанный на теореме Кёнига, и метод Эйткена. Для доказательства сходимости итерационных методов используется принцип сжатых отображений.

См. также

  • Метод конечных элементов

Примечания

  1. Муха В. С. Вычислительные методы и компьютерная алгебра: учеб.-метод. пособие. — 2-е изд., испр. и доп. — Минск: БГУИР, 2010. — 148 с.: ил, ISBN 978-985-488-522-3, УДК 519.6 (075.8), ББК 22.19я73, М92
  2. Энциклопедия кибернетики / Глушков В. М., Амосов Н. М., Артеменко И. А.. — Киев, 1974. — Т. 2. — С. 530—532.
  3. История математики, 1970—1972, Том I, С. 47.
  4. Analysis of YBC 7289 (англ.). ubc.ca. Дата обращения: 19 января 2015. Архивировано 12 марта 2020 года.
  5. История развития численных методов решения задач. Дата обращения: 10 сентября 2024. Архивировано 10 сентября 2024 года.
  6. Дьяченко В. Ф. Основные понятия вычислительной математики. — М., Наука, 1972. — Тираж 45000 экз. — С. 10
  7. Калиткин, 1978, с. 3.
  8. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 33.
  9. Калиткин, 1978, с. 2.
  10. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 13—16.
  11. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 57—58.
  12. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 53.
  13. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 63.
  14. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 65.
  15. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 77—79.
  16. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 79—80.
  17. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 84—87.
  18. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 102—106.
  19. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 106—109.
  20. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 112.
  21. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 125—135.
  22. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 111—112.
  23. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 149—150.
  24. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 331—333.
  25. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 333—334.
  26. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 334—336.
  27. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 336—337.
  28. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 337.
  29. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 337—342.
  30. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 347—348.
  31. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 349—352.
  32. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 352—355.
  33. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 355—357.
  34. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 364—365.
  35. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 386—387.
  36. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 217.
  37. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 217—220.
  38. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 220—226.
  39. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 226—228.
  40. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 230—234.
  41. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 234—236.
  42. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 237—240.
  43. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 240—243.
  44. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 243—254.
  45. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 254—258.
  46. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 264—266.
  47. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 266—269.
  48. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 269—276.
  49. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 279—284.
  50. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 289—297.
  51. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 305—306.
  52. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 315—318.
  53. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 318—320.
  54. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 320—324.
  55. Березин, Жидков, т.1, 1962, с. 324—325.
  56. Березин, Жидков, т.2, 1959, с. 9—10.
  57. Березин, Жидков, т.2, 1959, с. 10.
  58. Березин, Жидков, т.2, 1959, с. 10—13.
  59. Березин, Жидков, т.2, 1959, с. 17—18.
  60. Березин, Жидков, т.2, 1959, с. 18—19.
  61. Березин, Жидков, т.2, 1959, с. 19—20.
  62. Березин, Жидков, т.2, 1959, с. 20—23.
  63. Березин, Жидков, т.2, 1959, с. 23—25.
  64. Березин, Жидков, т.2, 1959, с. 25—30.
  65. Березин, Жидков, т.2, 1959, с. 30—31.
  66. Березин, Жидков, т.2, 1959, с. 41.
  67. Березин, Жидков, т.2, 1959, с. 54—56.
  68. Березин, Жидков, т.2, 1959, с. 56—59.
  69. Березин, Жидков, т.2, 1959, с. 59—61.
  70. Березин, Жидков, т.2, 1959, с. 61—62.
  71. Березин, Жидков, т.2, 1959, с. 66—67.
  72. Березин, Жидков, т.2, 1959, с. 67—73.
  73. Березин, Жидков, т.2, 1959, с. 76.
  74. Березин, Жидков, т.2, 1959, с. 76—79.
  75. Березин, Жидков, т.2, 1959, с. 83—88.
  76. Березин, Жидков, т.2, 1959, с. 88—94.
  77. Березин, Жидков, т.2, 1959, с. 103.
  78. Березин, Жидков, т.2, 1959, с. 103—107.
  79. Березин, Жидков, т.2, 1959, с. 107—114.
  80. Березин, Жидков, т.2, 1959, с. 115.
  81. Березин, Жидков, т.2, 1959, с. 128—129.
  82. Березин, Жидков, т.2, 1959, с. 135—140.
  83. Березин, Жидков, т.2, 1959, с. 140—143.
  84. Березин, Жидков, т.2, 1959, с. 143—146.
  85. Березин, Жидков, т.2, 1959, с. 146—148.
  86. Березин, Жидков, т.2, 1959, с. 129—134.

Литература

  • Амосов А. А., Дубинский Ю. А., Копченова Н. В. Вычислительные методы для инженеров. — 1994.
  • История математики, в трёх томах / Под редакцией А. П. Юшкевича. — М.: Наука, 1970—1972.
  • Березин И. С., Жидков Н. П. Методы вычислений. — М.: Наука, 1962. — Т. 1.
  • Березин И. С., Жидков Н. П. Методы вычислений. — М.: Наука, 1959. — Т. 2.
  • Калиткин Н. Н. Численные методы. — М.: Наука, 1978.
  • Численные методы : теория и практика : учебное пособие для бакалавров, для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки «Математика. Прикладная математика» / У. Г. Пирумов, Гидаспов В.Ю., Иванов И.Э., Ревизников Д. Л., Стрельцов В.Ю., Формалев В.Ф.; Московский авиационный ин-т-нац. исслед. ун-т. — 5-е изд., перераб. и доп. — Москва : Юрайт, 2012. — 421 с. : ил., табл.; 22 см. — (Бакалавр. Базовый курс).; ISBN 978-5-9916-1867-0
  • Рыжиков Ю. Вычислительные методы. — СПб.: BHV, 2007. — 400 с. — ISBN 978-5-9775-0137-8

Ссылки

  • Научный журнал «Вычислительные методы и программирование. Новые вычислительные технологии»
  • Материалы по численным методам
  • Численные методы
  • Вычислительные методы в прикладной математике, Международный журнал, ISSN 1609-4840

Википедия, чтение, книга, библиотека, поиск, нажмите, истории, книги, статьи, wikipedia, учить, информация, история, скачать, скачать бесплатно, mp3, видео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, картинка, музыка, песня, фильм, игра, игры, мобильный, телефон, Android, iOS, apple, мобильный телефон, Samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Сеть, компьютер, Информация о Вычислительные методы, Что такое Вычислительные методы? Что означает Вычислительные методы?

Chislennye vychislitelnye metody metody resheniya matematicheskih zadach v chislennom vide Predstavlenie kak ishodnyh dannyh v zadache tak i eyo resheniya v vide chisla ili nabora chisel Mnogie chislennye metody yavlyayutsya chastyu bibliotek matematicheskih programm V sisteme podgotovki inzhenerov tehnicheskih specialnostej yavlyayutsya vazhnoj sostavlyayushej Osnovami dlya vychislitelnyh metodov yavlyayutsya reshenie sistem linejnyh uravnenij interpolirovanie i priblizhyonnoe vychislenie funkcij chislennoe integrirovanie chislennoe reshenie sistemy nelinejnyh uravnenij chislennoe reshenie obyknovennyh differencialnyh uravnenij chislennoe reshenie uravnenij v chastnyh proizvodnyh uravnenij matematicheskoj fiziki reshenie zadach optimizacii IstoriyaVavilonskaya glinyanaya tablichka YBC 7289 s pometkami Diagonal otobrazhaet priblizhenie 2 displaystyle sqrt 2 chetyrmya 60 richnymi ciframi 1 24 51 10 Vavilonskie matematiki II tysyacheletie do n e razrabotali dlya izvlecheniya kvadratnogo kornya osobyj chislennyj metod Vavilonskaya glinyanaya tablichka YBC 7289 iz vavilonskoj kollekcii Jelskogo universiteta byla sozdana mezhdu 1800 i 1600 godami do n e i demonstriruet 2 i 2 2 sootvetstvenno v shestidesyatirichnoj sisteme schisleniya 1 24 51 10 i 0 42 25 35 na kvadrate peresechyonnom dvumya diagonalyami 1 24 51 10 po osnovaniyu 60 sootvetstvuet 1 41421296 chto yavlyaetsya pravilnym znacheniem s tochnostyu do 5 desyatichnyh znakov 1 24 60 51 602 10 603 1 41421296 displaystyle 1 24 60 51 60 2 10 60 3 1 41421296 Slozhnye procenty vychislyalis s pomoshyu metoda linejnoj interpolyacii V drevnem Egipte dlya nahozhdeniya ploshadi kruga razrabotali osobyj chislennyj metod Takzhe ispolzovalsya iteracionnyj metod V drevnem Kitae ispolzovalsya metod lozhnyh polozhenij a takzhe primenyalsya metod fan chen analogichnyj metodu Gaussa V drevnej Indii reshali sistemy linejnyh uravnenij metodom proporcij Ispolzovalsya metod rasseivaniya a takzhe vychislyali obemy nekotoryh tel V drevnej Grecii Evdoks metod ischerpyvaniya Evdoksa Arhimed metod verhnih i nizhnih integralnyh summ i Geron Aleksandrijskij pravilo izvlecheniya kubicheskogo kornya primenyali chislennye metody k resheniyu nekotoryh zadach V srednie veka priblizhennye metody ispolzovalis dlya nahozhdeniya uravnenij tretej i chetvertoj stepeni V Indii provodilos razlozhenie sinusa i kosinusa v beskonechnye ryady V Novoe vremya chislennye metody prodolzhali razvivatsya Nikolaj Kuzanskij nashel formulu priblizhennogo spryamleniya okruzhnostej Rene Dekart reshaya zadachu po prelomleniyu sveta nashel ovaly Dekarta Bernulli predlozhil metod izoklin Isaak Nyuton predlozhil metod resheniya algebraicheskih uravnenij metod Nyutona MetodologiyaSm takzhe Vychislitelnaya matematika Vse zadachi vychislitelnoj matematiki reshayutsya v sleduyushej posledovatelnosti Ishodnaya matematicheskaya zadacha zamenyaetsya drugoj zadachej vychislitelnym algoritmom Osnovnymi trebovaniyami k vychislitelnomu algoritmu yavlyayutsya vysokaya tochnost ustojchivost i ekonomichnost Pri perehode k diskretnoj modeli poyavlyaetsya pogreshnost approksimacii a pri realizacii vychislenij pogreshnost okrugleniya poetomu dlya realnyh vychislitelnyh algoritmov provoditsya analiz pogreshnostej i ustojchivosti vychislitelnogo algoritma V sovremennoj nauke dlya resheniya zadach prikladnoj matematiki formuliruetsya matematicheskaya model v terminah integralnyh i differencialnyh uravnenij funkcij nepreryvnogo argumenta Perehod ot kontinualnoj k diskretnoj matematicheskoj modeli osushestvlyaetsya zamenoj funkcij nepreryvnogo argumenta funkciyami diskretnogo argumenta V poluchivshihsya konechno raznostnyh uravneniyah integral i proizvodnaya predstavleny konechnoj summoj i raznostnym otnosheniem sootvetstvenno Poluchivshayasya model predstavlyaet soboj sistemu algebraicheskih uravnenij dlya resheniya kotoroj s opredelyonnoj tochnostyu sostavlyaetsya vychislitelnyj algoritm kotoryj realizuetsya na vychislitelnyh mashinah Pri reshenii bolshih sistem neobhodimo vychislyat sobstvennye znacheniya i vektora matric svodit nelinejnye sistemy uravnenij k linejnym Dlya nekotoryh zadach fizika plazmy ekonomika model stroitsya neposredstvenno na statisticheskoj vyborke ili na krupnyh obektah Krome togo stroyatsya neregulyarnye sistemy dlya kotoryh chislennye metody sochetayutsya s teoriej grafov Otdelnyj klass predstavlyayut nekorrektno postavlennye zadachi Vychislitelnyj algoritm soderzhit parametr N displaystyle N kotorogo net v ishodnoj zadache Vyborom etogo parametra N displaystyle N mozhno dobitsya lyuboj blizosti resheniya vtoroj zadachi k resheniyu pervoj Dlya mnogih vazhnyh klassov zadach razrabotany raznoobraznye chislennye metody resheniya Po sposobu diskretizacii chislennye metody delyatsya na proekcionnye i konechno raznostnye po sposobu resheniya na pryamye i iteracionnye V metodah konechnyh raznostej stavitsya zadacha opredelit znacheniya funkcii na diskretnom mnozhestve tochek v to vremya kak v proekcionnyh metodah funkciya predstavlena linejnoj kombinaciej elementov Pri etom diskretnaya funkciya takzhe mozhet rassmatrivatsya kak linejnaya kombinaciya polinomov Pryamye metody resheniya obladayut slaboj ustojchivostyu v to vremya kak iteracionnye metody bolee ustojchivy i obespechivayut bystruyu shodimost Netochnaya realizaciya algoritma vyzvannaya okrugleniyami pri vychisleniyah ne menyaet sushestvenno ego svojstv Neobhodimo pomnit chto vychislitelnaya mashina vypolnyaet tolko chetyre osnovnyh arifmeticheskih operacii Tochnost resheniya pri etom dolzhna byt neskolko vyshe ozhidaemoj tochnosti fizicheskogo eksperimenta Pri opredelenii kriteriev i uslovij rosta pogreshnosti dolgoe vremya ne prinimalas vo vnimanie pogreshnost okrugleniya Neobhodimost garantirovannyh ocenok tochnosti realnyh vychislenij privela k vozniknoveniyu intervalnogo analiza Optimalnym algoritmom schitaetsya algoritm s minimalnoj pogreshnostyu ili s minimalnym chislom operacij pri zadannoj pogreshnosti Pri etom razrabatyvaetsya teoriya parallelnyh vychislitelnyh algoritmov Matematicheskij apparatSimvolicheski zadacha poiska neizvestnoj velichiny zapisyvaetsya v vide y A x displaystyle y A x Dlya otyskaniya y displaystyle y v vychislitelnoj matematike ispolzuyut odnu ili neskolko zamen prostranstv v kotoryh opredeleny velichiny x displaystyle x y displaystyle y ili funkcii A displaystyle A chtoby sdelat vychisleniya bolee udobnymi Poluchivshayasya novaya zadacha y A x displaystyle bar y bar A bar x dolzhna imet reshenie blizkoe k resheniyu ishodnoj zadachi Naprimer pri vychislenii integrala abf x dx displaystyle int a b f x dx nepreryvnuyu funkciyu na otrezke a b displaystyle a b mozhno vsegda zamenit polinomom P x displaystyle P x dlya kotorogo integral legko opredelyaetsya ili zhe zamenit integral konechnoj summoj i 1nf xi Dxi displaystyle sum i 1 n f x i Delta x i i reshat poluchivshuyusya zadachu Dlya togo chtoby osushestvit podobnuyu zamenu neobhodimo otyskat konechnoe mnozhestvo elementov horosho approksimiruyushih osnovnoe prostranstvo Poslednee uslovie nakladyvaet ogranicheniya na metricheskoe prostranstvo Osnovnym ogranicheniem yavlyaetsya nalichie ϵ displaystyle epsilon seti iz kotorogo vytekaet kompaktnost prostranstva v sebe i separabelnost Vmeste s tem eto ogranichenie ne yavlyaetsya obyazatelnym Sovremennye metody funkcionalnogo analiza pozvolyayut vybrat metricheskie prostranstva naibolee podhodyashie usloviyam zadachi Pri ispolzovanii chislennyh metodov voznikaet neskolko vidov pogreshnostej Pri priblizhenii odnogo chisla drugim voznikaet pogreshnost okrugleniya pogreshnost svyazannaya s netochnymi nachalnymi dannymi nazyvaetsya neustranimoj krome togo v svyazi s zamenoj ishodnoj zadachi na priblizhyonnuyu sushestvuet pogreshnost metoda Polnaya pogreshnost pri etom skladyvaetsya iz pogreshnosti metoda i pogreshnosti vychislenij inymi slovami vmesto uravneniya y A x displaystyle y A x reshaetsya uravneniya y A x displaystyle bar bar y bar bar A bar bar x tochnost resheniya kotorogo opredelyaetsya po formule y y y y y y displaystyle y bar bar y y bar y bar y bar bar y Dlya opredeleniya velichiny pogreshnosti polzuyutsya ponyatiyami absolyutnoj i otnositelnoj pogreshnosti a takzhe predelnoj absolyutnoj i otnositelnoj pogreshnosti pri etom teoriya pogreshnostej opredelyaet izmenenie velichin pogreshnostej pri razlichnyh arifmeticheskih dejstviyah Naryadu s metodami tochnoj ocenki pogreshnostej v rezultate kotoryh opredelyayutsya predelnye velichiny pogreshnostej ispolzuyut statisticheskie metody pozvolyayushie opredelit vozmozhnost dostizheniya otdelnyh pogreshnostej a takzhe uchityvayut matematicheskie harakteristiki sluchajnyh oshibok svyazannyh s otkloneniem ot zadannyh uslovij opyta kogda po neskolkim rezultatam izmereniya fizicheskoj velichiny opredelyaetsya eyo priblizhyonnoe znachenie Osnovnye sposoby priblizheniya funkcijInterpolyaciya Osnovnaya statya Interpolyaciya Dlya polucheniya znacheniya funkcii f x displaystyle f x zadannoj tablicej znachenij na promezhutochnyh znacheniyah argumenta stroyat priblizhyonnuyu funkciyu f x displaystyle varphi x kotoraya v zadannyh tochkah x0 xm displaystyle x 0 dots x m kotorye nazyvayutsya uzlami interpolirovaniya prinimaet znacheniya f x0 f xm displaystyle f x 0 dots f x m a v ostalnyh tochkah prinadlezhat oblasti opredeleniya funkcii Chashe vsego priblizhyonnaya funkciya stroitsya v vide algebraicheskogo mnogochlena vklyuchayushego pervye n 1 displaystyle n 1 elementov linejno nezavisimoj sistemy Na praktike v kachestve elementov linejno nezavisimoj sistemy ispolzuyut posledovatelnost stepenej x displaystyle x 1 x x2 displaystyle 1 x x 2 dots trigonometricheskih funkcij 1 sin x cos x sin 2x displaystyle 1 sin x cos x sin 2x dots pokazatelnyh funkcij 1 ea1x ea2x displaystyle 1 e alpha 1 x e alpha 2 x dots Dlya postroeniya interpoliruyushej funkcii v takom sluchae neobhodimo reshit sistemu iz m 1 displaystyle m 1 uravnenij s n 1 displaystyle n 1 neizvestnymi Na poluchivshuyusya matricu sistemy nakladyvayutsya opredelyonnye usloviya rang matricy dolzhen byt raven m 1 displaystyle m 1 a n m displaystyle n geq m chtoby garantirovat uslovie linejnoj nezavisimosti n m displaystyle n m chtoby reshenie zadachi bylo odnoznachnym opredelitel matricy D 0 displaystyle Delta neq 0 chtoby sushestvovalo reshenie i pritom edinstvennoe Postroenie interpolyacionnogo mnogochlena Lagranzha Ln x displaystyle L n x yavlyaetsya bazovym metodom resheniya podobnogo roda zadach ochen resursoyomkim i trudno rasshiryaemym Sleduyushim shagom yavlyaetsya vvedenie ponyatiya razdelyonnoj raznosti k displaystyle k go poryadka na baze otnoshenij raznosti znacheniya funkcii v sosednih uzlah k rasstoyaniyu mezhdu uzlami kotoraya v silu svoego opredeleniya obladaet ryadom poleznyh svojstv v chastnosti razdelyonnye raznosti poryadka k displaystyle k ot mnogochlena stepeni n displaystyle n imeyut stepen n k displaystyle n k to est raznosti poryadka n displaystyle n postoyanny a raznosti bolee vysokogo poryadka ravny 0 displaystyle 0 Razdelyonnye raznosti pozvolyayut perepisat interpolyacionnyj mnogochlen Lagranzha v vide bolee udobnom dlya vychislenij Novaya formula nosit nazvanie interpolyacionnogo mnogochlena Nyutona v sluchae ravnyh promezhutkov formula znachitelno uproshaetsya S ispolzovaniem razdelyonnyh raznostej stroyatsya interpolyacionnye formuly Gaussa Stirlinga Besselya Everetta V obshem sluchae razdelyonnye raznosti snachala ubyvayut s povysheniem poryadka a zatem nachinayut snova rasti inymi slovami net smysla ispolzovat raznosti vysokih poryadkov v vychisleniyah Pri etom voznikaet vopros shodimosti interpolyacionnogo processa dlya resheniya kotorogo privlekayutsya razlichnye metody matematicheskogo analiza Razdelyonnye raznosti dlya funkcii u 2h 2h 3h 1Ravnomernye priblizheniya Pri reshenii prakticheskih zadach neobhodimo mnogokratno vychislyat znacheniya zadannoj funkcii chto v obshem sluchae yavlyaetsya resursoyomkoj operaciej Voznikaet neobhodimost nahozhdeniya funkcii nailuchshego ravnomernogo priblizheniya Dlya priblizheniya funkcii v linejnom normirovannom prostranstve obrazuyut podprostranstvo razmernosti n 1 displaystyle n 1 vsevozmozhnyh linejnyh kombinacij dlya kotoryh operedelena norma i sushestvuet eyo tochnaya nizhnyaya gran Element v kotorom eta gran dostigaetsya nazyvayut elementom nailuchshego priblizheniya ili proekciej Mozhno dokazat chto v podprostranstve vsegda sushestvuet element nailuchshego priblizheniya a pri uslovii strogoj normirovannosti prostranstva takoj element yavlyaetsya edinstvennym V prostranstve nepreryvnyh funkcij s normoj f supx a b f x displaystyle lVert f rVert sup x in a b f x takzhe sushestvuet element nailuchshego priblizheniya no usloviem ego edinstvennosti yavlyaetsya nalichie ne bolee n displaystyle n razlichnyh nulej obobshyonnogo mnogochlena na otrezke Mnogochleny Chebyshyova Mnogochleny Chebyshyova Teoriya funkcij primenima k sisteme stepennyh funkcij tak kak ona yavlyaetsya sistemoj Chebyshyova na lyubom otrezke Soglasno teoreme Vejershtrassa pri uvelichenii razmernosti podprostranstva n displaystyle n to infty raznost mezhdu proekciej i zadannoj funkciej stremitsya k nulyu Poryadok etogo priblizheniya zavisit ot strukturnyh osobennostej funkcii ego mozhno opredelit s pomoshyu mnogochlenov Bernshtejna Sistema trigonometricheskih funkcij takzhe obladaet svojstvami sistemy Chebyshyova na otrezke 0 2p displaystyle 0 2 pi dlya neyo takzhe raznost mezhdu proekciej i zadannoj funkciej stremitsya k nulyu Nesmotrya na pokazannoe sushestvovanie mnogochlena nailuchshego priblizheniya sposobov ego tochnogo postroeniya ne sushestvuet Vmesto etogo ispolzuyut neskolko sposobov priblizhyonnogo postroeniya mnogochlenov nailuchshego ravnomernogo priblizheniya Srednekvadratichnye priblizheniya Vo mnogih sluchayah trebovanie ravnomernogo priblizheniya yavlyaetsya izbytochnym i dostatochno integralnoj blizosti funkcij krome togo znacheniya priblizhyonnyh funkcij poluchennye iz eksperimenta nesut na sebe sluchajnye pogreshnosti a trebovat sovpadeniya priblizhayushej i priblizhaemoj funkcii esli poslednyaya soderzhit netochnosti necelesoobrazno Metod srednekvadratichnogo priblizheniya prinimaet za meru blizosti sleduyushuyu velichinu d abp x f x ϕ x 2dx displaystyle delta sqrt int a b p x f x phi x 2 dx chto pozvolyaet otkazatsya ot interpolyacii podyntegralnoj funkcii i trebovaniya nepreryvnosti sohraniv tolko trebovaniya integriruemosti s kvadratom Chislennoe differencirovanie i integrirovanieUravnenie vida y A x displaystyle y A x opredelyonnoe na funkcionalnom prostranstve mozhet soderzhat operatory differencirovaniya i integrirovaniya dlya kotoryh nevozmozhno najti tochnoe reshenie Metody chislennogo differencirovaniya i integrirovaniya osnovany na interpolyacii Proizvodnuyu osnovnoj funkcii schitayut priblizhyonno ravnoj proizvodnoj interpoliruyushej funkcii pri etom proizvodnaya ostatochnogo chlena interpolyacionnoj formuly mozhet byt velika osobenno dlya proizvodnyh vysshih poryadkov Formuly chislennogo differencirovaniya vo mnogom osnovany na neposredstvennom differencirovanii interpolyacionnyh formul Nyutona Gaussa Stirlinga i Besselya postroennyh na raspredelyonnyh raznostyah no est i bezraznostnye formuly V chastnosti kogda dlya chislennogo differenciala ispolzuetsya neposredstvenno formula Lagranzha dlya ravnyh promezhutkov metod neopredelyonnyh koefficientov i drugie Chislennoe integrirovanie po formule Simpsona V sluchae integrirovaniya samo opredelenie integrala govorit o vozmozhnosti ego zameny integralnoj summoj no etot priyom obladaet medlennoj shodimostyu i malo prigoden Integral ot osnovnoj funkcii schitayut priblizhyonno ravnym integralu ot interpoliruyushej funkcii i v dalnejshem ispolzuyut interpolyacionnye formuly s kratnymi uzlami Ispolzovanie v kachestve podyntegralnogo vyrazheniya interpolyacionnogo mnogochlena Lagranzha dlya ravnyh promezhutkov privodit k i eyo chastnym sluchayam formule trapecij kogda krivaya podyntegralnogo vyrazheniya zamenyaetsya hordoj i integral raven ploshadi trapecii i formule Simpsona kogda krivaya podyntegralnogo vyrazheniya zamenyaetsya paraboloj prohodyashej cherez tri tochki Otkazavshis ot trebovaniya ravnyh promezhutkov s pomoshyu interpolyacionnogo mnogochlena Lagranzha mozhno poluchit bolee tochnye formuly chislennogo integrirovaniya v chastnosti formuly Gaussa formuly Ermita formuly Markova formuly Chebyshyova Kvadraturnye processy postroennye na interpolyacionnyh formulah Gaussa vsegda shodyatsya v to vremya kak formuly Nyutona Kotesa etim svojstvam v obshem sluchae ne obladayut Sushestvuyut i drugie sposoby chislennogo integrirovaniya osnovnym iz kotoryh yavlyaetsya ispolzovanie formul Ejlera v kotoryh zamena peremennyh i posleduyushee integrirovanie po chastyam privodyat k formule chislennogo integrirovaniya trapeciej i popravochnogo chlena k kotoromu povtorno primenyaetsya zamena peremennyh i integrirovanie po chastyam V obshem sluchae formula Ejlera ispolzuet v kachestve koefficientov chisla i mnogochleny Bernulli Vopros primeneniya togo ili inogo metoda chislennogo integrirovaniya zavisit ot takih faktorov kak vychislitelnye sredstva trebuemaya tochnost sposob zadaniya podyntegralnoj funkcii Dlya ruchnyh vychislenij rekomenduetsya ispolzovat formuly soderzhashie raznosti v to vremya kak pri avtomaticheskih vychisleniyah bezraznostnye formuly v osobennosti formuly Gaussa Chislennoe integrirovanie metodami Monte Karlo Dlya priblizhyonnogo vychisleniya kratnyh integralov povtorno primenyayut formuly chislennogo integrirovaniya odnokratnyh integralov pri etom v zavisimosti ot osobennostej funkcii dlya raznyh integralov mozhno ispolzovat raznye formuly Pri ispolzovanii dannogo metoda neobhodimo vychislyat podyntegralnuyu funkciyu v bolshom chisle tochek poetomu celesoobrazno ispolzovat formuly Gaussa i Chebyshyova kotorye yavlyayutsya bolee tochnymi Drugim sposobom yavlyaetsya zamena podyntegralnoj funkcii interpolyacionnym mnogochlenom ot dvuh ili neskolko peremennyh Lyusternik i Ditkin predlozhili ispolzovat formuly Maklorena dlya priblizhyonnogo vychisleniya kratnogo integrala Vmeste s tem pri uvelichenii kratnosti integrala rezko rastyot chislo tochek dlya kotoryh neobhodimo znat znacheniya podyntegralnoj funkcii chtoby polzovatsya metodami osnovannymi na interpolyacii Dlya vychisleniya kratnyh integralov chashe polzuyutsya veroyatnostnymi metodami Monte Karlo pri etom neobhodimost polucheniya ravnovozmozhnyh posledovatelnostej sozdayot dopolnitelnye pogreshnosti kotorye trudno ocenit Reshenie sistem linejnyh algebraicheskih uravnenijSushestvuet dve gruppy metodov resheniya sistem linejnyh algebraicheskih uravnenij tochnye metody pozvolyayut s pomoshyu konechnogo chisla operacij poluchit tochnye znacheniya neizvestnyh i vklyuchayut preobrazovanie sistemy k prostomu vidu i reshenie uproshyonnoj sistemy metody posledovatelnyh priblizhenij na osnove nachalnyh priblizhenij pozvolyayut poluchit uluchshennye priblizhyonnye znacheniya dlya kotoryh sleduet posledovatelno povtorit operaciyu uluchsheniya metody Monte Karlo pozvolyayut na osnovanii matematicheskogo ozhidaniya sluchajnyh velichin poluchit reshenie sistemy Izvestnyj iz shkolnogo kursa algebry metod isklyucheniya pozvolyaet svesti matricu sistemy k diagonalnomu ili treugolnomu vidu Shema isklyucheniya Gaussa s vyborom glavnogo elementa kotoryj neobhodim chtoby umenshit vychislitelnuyu pogreshnost vklyuchaet pryamoj hod sobstvenno process isklyucheniya i obratnyj hod reshenie sistemy s treugolnoj matricej Eyo kompaktnyj variant ispolzuetsya dlya opredeleniya obratnoj matricy chto mozhet byt polezno esli v sisteme linejnyh uravnenij menyaetsya tolko pravaya chast i dlya vychisleniya opredelitelej Shema Zhordana pozvolyaet oblegchit obratnyj hod a v sheme bez obratnogo hoda kotoraya osnovana na preobrazovanii kletochnoj matricy Ab I0 displaystyle begin pmatrix A amp b I amp 0 end pmatrix poslednij i ne trebuetsya Uslovie simmetrichnosti matricy pozvolyaet sdelat ryad uproshenij i vospolzovatsya metodom kvadratnogo kornya v kotorom matrica sistemy predstavlyaetsya kak proizvedenie nizhnej treugolnoj matricy na transponirovannuyu po otnosheniyu k nej matricu v kotorom elementy treugolnyh matric opredelyayutsya po formulam cherez proizvedeniya elementy pervonachalnoj matricy pri otsutstvii usloviya polozhitelno opredelyonnoj matricy nekotorye formuly mogut soderzhat mnimye elementy a sistema zatem reshaetsya v dva etapa cherez reshenie vspomogatelnyh sistem postroennyh na treugolnyh matricah Sushestvuyut takzhe metod ortogonalizacii osnovannyj na svojstvah skalyarnogo proizvedeniya metod sopryazhyonnyh gradientov pri kotorom stroitsya vspomogatelnaya funkciya kotoraya obrazuet semejstvo ellipsoidov s obshim centrom i dlya kotoroj neobhodimo najti vektor pri kotorom ona prinimaet minimalnoe znachenie Dlya matric vysokogo poryadka primenyayut metod razbieniya na kletki kogda zadachu svodyat k resheniyu zadach dlya matric nizshih poryadkov V sluchae posledovatelnyh priblizhenij ispolzuetsya rekurrentnaya formula x k 1 Fk x 0 x k displaystyle overline x k 1 F k overline x 0 dots overline x k gde Fk displaystyle F k funkciya kotoraya zavisit ot matricy sistemy pravoj chasti nomera priblizheniya i predydushih priblizhenij x 0 x k displaystyle overline x 0 dots overline x k gde x 0 displaystyle overline x 0 nachalnyj vektor Pri etom schitaetsya chto metod imeet pervyj poryadok esli funkciya zavisit tolko ot poslednego iz predydushih priblizhenij V etom sluchae formula x k 1 Bkx k c k displaystyle overline x k 1 B k overline x k overline c k mozhet byt zapisana v vide Dkx k 1 Ekx k b displaystyle D k overline x k 1 E k overline x k overline b gde Dk Ek A displaystyle D k E k A Dlya udobstva vychislenij zhelatelno ispolzovat diagonalnuyu ili treugolnuyu matricu Dk displaystyle D k kotoruyu budet udobno obratit V zavisimosti ot vybora etoj matricy metody nazyvayut polnoshagovymi i odnoshagovymi sootvetstvenno K linejnym polnoshagovym metodam otnosyat prostuyu iteraciyu metod Richardsona k linejnym odnoshagovym metodam metod Zejdelya relaksacionnyj metod k nelinejnym metodam metod skorejshego spuska Reshenie algebraicheskih uravnenij vysshih stepenej i transcendentnyh uravnenijResheniya algebraicheskogo uravneniya f z 0 displaystyle f z 0 gde v levoj chasti nahoditsya funkciya dejstvitelnogo ili kompleksnogo argumenta lezhit v kompleksnoj ploskosti Dlya ego opredeleniya v pervuyu ochered neobhodimo zaklyuchit kazhdyj koren v dostatochno maluyu oblast to est otdelit ego dlya chego chasto ispolzuyut graficheskie metody Dlya dejstvitelnyh kornej ispolzuyut takzhe obobshyonnoe pravilo Dekarta teoremu Shturma metod Fure Shirokoe primenenie nashyol metod kvadratnogo kornya ili metod Lobachevskogo V ego osnovnoj formulirovke on primenim k dejstvitelnym kornyam daleko otstoyashim drug ot druga no sushestvuyut obobsheniya kak na kompleksnye tak i na dejstvitelnye ravnye ili blizkie korni Iteracionnye metody resheniya algebraicheskih uravnenij delyatsya na stacionarnye kogda funkcii stavitsya v sootvetstvie drugaya funkciya s temi zhe kornyami ne zavisyashaya ot nomera iteracii i nestacionarnye kogda funkciya mozhet zaviset ot nomera iteracii K prostejshim stacionarnym iteracionnym metodam otnosyat metod sekushih ili metod linejnogo interpolirovaniya i metod kasatelnyh ili metod Nyutona kotorye yavlyayutsya metodami pervogo i vtorogo poryadka sootvetstvenno Kombinaciya etih metodov pri kotoroj posledovatelnye priblizheniya lezhat po raznye storony ot kornya pozvolyaet dostich bolee bystroj shodimosti Metod Chebysheva osnovannyj na razlozhenii obratnoj funkcii po formule Tejlora pozvolyaet postroit metody bolee vysokih poryadkov obladayushie ochen bystroj shodimostyu Sushestvuyut takzhe metod osnovannyj na teoreme Kyoniga i metod Ejtkena Dlya dokazatelstva shodimosti iteracionnyh metodov ispolzuetsya princip szhatyh otobrazhenij Sm takzheMetod konechnyh elementovPrimechaniyaMuha V S Vychislitelnye metody i kompyuternaya algebra ucheb metod posobie 2 e izd ispr i dop Minsk BGUIR 2010 148 s il ISBN 978 985 488 522 3 UDK 519 6 075 8 BBK 22 19ya73 M92 Enciklopediya kibernetiki Glushkov V M Amosov N M Artemenko I A Kiev 1974 T 2 S 530 532 Istoriya matematiki 1970 1972 Tom I S 47 Analysis of YBC 7289 angl ubc ca Data obrasheniya 19 yanvarya 2015 Arhivirovano 12 marta 2020 goda Istoriya razvitiya chislennyh metodov resheniya zadach neopr Data obrasheniya 10 sentyabrya 2024 Arhivirovano 10 sentyabrya 2024 goda Dyachenko V F Osnovnye ponyatiya vychislitelnoj matematiki M Nauka 1972 Tirazh 45000 ekz S 10 Kalitkin 1978 s 3 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 33 Kalitkin 1978 s 2 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 13 16 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 57 58 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 53 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 63 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 65 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 77 79 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 79 80 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 84 87 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 102 106 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 106 109 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 112 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 125 135 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 111 112 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 149 150 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 331 333 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 333 334 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 334 336 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 336 337 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 337 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 337 342 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 347 348 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 349 352 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 352 355 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 355 357 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 364 365 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 386 387 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 217 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 217 220 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 220 226 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 226 228 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 230 234 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 234 236 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 237 240 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 240 243 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 243 254 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 254 258 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 264 266 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 266 269 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 269 276 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 279 284 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 289 297 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 305 306 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 315 318 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 318 320 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 320 324 Berezin Zhidkov t 1 1962 s 324 325 Berezin Zhidkov t 2 1959 s 9 10 Berezin Zhidkov t 2 1959 s 10 Berezin Zhidkov t 2 1959 s 10 13 Berezin Zhidkov t 2 1959 s 17 18 Berezin Zhidkov t 2 1959 s 18 19 Berezin Zhidkov t 2 1959 s 19 20 Berezin Zhidkov t 2 1959 s 20 23 Berezin Zhidkov t 2 1959 s 23 25 Berezin Zhidkov t 2 1959 s 25 30 Berezin Zhidkov t 2 1959 s 30 31 Berezin Zhidkov t 2 1959 s 41 Berezin Zhidkov t 2 1959 s 54 56 Berezin Zhidkov t 2 1959 s 56 59 Berezin Zhidkov t 2 1959 s 59 61 Berezin Zhidkov t 2 1959 s 61 62 Berezin Zhidkov t 2 1959 s 66 67 Berezin Zhidkov t 2 1959 s 67 73 Berezin Zhidkov t 2 1959 s 76 Berezin Zhidkov t 2 1959 s 76 79 Berezin Zhidkov t 2 1959 s 83 88 Berezin Zhidkov t 2 1959 s 88 94 Berezin Zhidkov t 2 1959 s 103 Berezin Zhidkov t 2 1959 s 103 107 Berezin Zhidkov t 2 1959 s 107 114 Berezin Zhidkov t 2 1959 s 115 Berezin Zhidkov t 2 1959 s 128 129 Berezin Zhidkov t 2 1959 s 135 140 Berezin Zhidkov t 2 1959 s 140 143 Berezin Zhidkov t 2 1959 s 143 146 Berezin Zhidkov t 2 1959 s 146 148 Berezin Zhidkov t 2 1959 s 129 134 LiteraturaAmosov A A Dubinskij Yu A Kopchenova N V Vychislitelnye metody dlya inzhenerov 1994 Istoriya matematiki v tryoh tomah Pod redakciej A P Yushkevicha M Nauka 1970 1972 Berezin I S Zhidkov N P Metody vychislenij M Nauka 1962 T 1 Berezin I S Zhidkov N P Metody vychislenij M Nauka 1959 T 2 Kalitkin N N Chislennye metody M Nauka 1978 Chislennye metody teoriya i praktika uchebnoe posobie dlya bakalavrov dlya studentov vysshih uchebnyh zavedenij obuchayushihsya po napravleniyu podgotovki Matematika Prikladnaya matematika U G Pirumov Gidaspov V Yu Ivanov I E Reviznikov D L Strelcov V Yu Formalev V F Moskovskij aviacionnyj in t nac issled un t 5 e izd pererab i dop Moskva Yurajt 2012 421 s il tabl 22 sm Bakalavr Bazovyj kurs ISBN 978 5 9916 1867 0 Ryzhikov Yu Vychislitelnye metody SPb BHV 2007 400 s ISBN 978 5 9775 0137 8SsylkiNauchnyj zhurnal Vychislitelnye metody i programmirovanie Novye vychislitelnye tehnologii Materialy po chislennym metodam Chislennye metody Vychislitelnye metody v prikladnoj matematike Mezhdunarodnyj zhurnal ISSN 1609 4840

NiNa.Az

NiNa.Az - Абсолютно бесплатная система, которая делится для вас информацией и контентом 24 часа в сутки.
Взгляните
Закрыто