ιδάσκοντες :Τµήµα Α ( Αρτιοι) : Καθηγητής Ν. Μισυρλής,Τµήµα Β (Περιττοί) : Αριθµητική Επίκ. Καθηγητής νάλυση Φ.Τζαφέρης (ΕΚΠΑ) 27 Μαΐου / 20

Σχετικά έγγραφα
Αριθµητική Ανάλυση. ιδάσκοντες: Καθηγητής Ν. Μισυρλής, Επίκ. Καθηγητής Φ.Τζαφέρης ΕΚΠΑ. 16 Ιανουαρίου 2015

Αριθµητική Ανάλυση. ιδάσκοντες: Τµήµα Α ( Αρτιοι) : Καθηγητής Ν. Μισυρλής, Τµήµα Β (Περιττοί) : Επίκ. Καθηγητής Φ.Τζαφέρης. 21 εκεµβρίου 2015 ΕΚΠΑ

Αριθµητική Ανάλυση. Ενότητα 6 Αριθµητική Παραγώγιση και Ολοκλήρωση. Ν. Μ. Μισυρλής. Τµήµα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών,

Αριθµητική Ανάλυση. ιδάσκοντες: Τµήµα Α ( Αρτιοι) : Καθηγητής Ν. Μισυρλής, Τµήµα Β (Περιττοί) : Επίκ. Καθηγητής Φ.Τζαφέρης. 25 Μαΐου 2010 ΕΚΠΑ

Εισαγωγή στον Προγραµµατισµό. Ανάλυση (ή Επιστηµονικοί 19Υπολογισµοί)

15 εκεµβρίου εκεµβρίου / 64

1 Επίλυση Συνήθων ιαφορικών Εξισώσεων

Εισαγωγή στον Προγραµµατισµό. Ανάλυση (ή Επιστηµονικοί8 Υπολογισµοί)

Αριθµητική Ανάλυση. Ενότητα 6 Αριθµητική Παραγώγιση και Ολοκλήρωση. Ν. Μ. Μισυρλής. Τµήµα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών,

Αριθµητική Ανάλυση. Ενότητα 5 Προσέγγιση Συναρτήσεων. Ν. Μ. Μισυρλής. Τµήµα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών,

ιδάσκοντες :Τµήµα Α ( Αρτιοι) : Καθηγητής Ν. Μισυρλής,Τµήµα Β (Περιττοί) : Αριθµητική Επίκ.

Εισαγωγή στον Προγραµµατισµό. Ανάλυση (ή Επιστηµονικοί 21Υπολογισµοί)

Αριθµητικές Μέθοδοι και Προγραµµατισµός Αριθµητική Ανάλυση (ή Επιστηµονικοί Υπολογισµοί)

Αριθµητική Γραµµική ΑλγεβραΚεφάλαιο 4. Αριθµητικός Υπολογισµός Ιδιοτιµών 2 Απριλίου και2015 Ιδιοδιανυσµάτων 1 / 50

Εισαγωγή στον Προγραµµατισµό. Ανάλυση (ή Επιστηµονικοί Υπολογισµοί)

Αριθµητική Ανάλυση 1 εκεµβρίου / 43

ιδάσκοντες :Τµήµα Α ( Αρτιοι) : Καθηγητής Ν. Μισυρλής,Τµήµα Β (Περιττοί) : Αριθµητική Επίκ.

Αριθµητική Ολοκλήρωση

Κεφάλαιο 2. Μέθοδος πεπερασµένων διαφορών προβλήµατα οριακών τιµών µε Σ Ε

Αριθµητική Ανάλυση. Τµήµα Α ( Αρτιοι) : Καθηγητής Ν.Μισυρλής,Τµήµα Β (Περιττοί) : Επίκ. Αριθµητική Καθηγητής Ανάλυση Φ.Τζαφέρης

ιαφορικές Εξισώσεις 1

QR είναι ˆx τότε x ˆx. 10 ρ. Ποιά είναι η τιµή του ρ και γιατί (σύντοµη εξήγηση). P = [X. 0, X,..., X. (n 1), X. n] a(n + 1 : 1 : 1)

ΑΛΓΕΒΡΑ Α ΛΥΚΕΙΟΥ ΑΠΟΣΤΟΛΟΥ ΓΙΩΡΓΟΣ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΣ

KΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟ ΟΙ ΕΠΙΛΥΣΗΣ ΣΥΝΗΘΩΝ. Το τυπικό πρόβληµα αρχικών τιµών που θα µας απασχολήσει, είναι το ακόλουθο:

Αριθμητικές Μέθοδοι σε Προγραμματιστικό Περιβάλλον

Εισαγωγή στον Προγραµµατισµό. Ανάλυση (ή Επιστηµονικοί8 Υπολογισµοί)

Αριθμητική Ανάλυση και Εφαρμογές

Κεφάλαιο 1. Αριθµητική ολοκλήρωση συνήθων διαφορικών εξισώσεων και συστηµάτων

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΕΠΙΛΥΣΗ ΓΡΑΜΜΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ. nn n n

y r = y r y r 1. y r+ 1 + y r 1 δy r = y r+ 1 y sinh 1 z = z 1 6 z z z7 +,

Κεφ. 6Β: Συνήθεις διαφορικές εξισώσεις (ΣΔΕ) - προβλήματα αρχικών τιμών

Κεφ. 7: Συνήθεις διαφορικές εξισώσεις (ΣΔΕ) - προβλήματα αρχικών τιμών

Αριθµητική Ανάλυση. 14 εκεµβρίου Αριθµητική ΑνάλυσηΚεφάλαιο 6. Παρεµβολή 14 εκεµβρίου / 28

Αριθμητική Ανάλυση και Εφαρμογές

ΘΕΩΡΙΑ ΑΡΙΘΜΩΝ Ασκησεις - Φυλλαδιο 7

5.2 ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΠΡΟΟ ΟΣ

Πρόλογος Εισαγωγή στη δεύτερη έκδοση Εισαγωγή... 11

Αριθμητικές Μέθοδοι για την επίλυση ΠΑΤ Δ.Ε.

Μέθοδοι μονοδιάστατης ελαχιστοποίησης

Κεφάλαιο 1: Προβλήµατα τύπου Sturm-Liouville

Γραµµική Άλγεβρα. Εισαγωγικά. Μέθοδος Απαλοιφής του Gauss

Αριθµητικη Επιλυση Συνηθων ιαϕορικων Εξισωσεων

ΑΛΓΕΒΡΙΚΕΣ ΟΜΕΣ Ι. Ασκησεις - Φυλλαδιο 2

ΘΕΩΡΙΑ ΑΡΙΘΜΩΝ Ασκησεις - Φυλλαδιο 8

Απαντήσεις στα Θέµατα Ιουνίου 2012 (3 και 4)

Μέθοδοι μονοδιάστατης ελαχιστοποίησης

ΣΕΙΡΕΣ TAYLOR. Στην Ενότητα αυτή θα ασχοληθούµε µε την προσέγγιση συναρτήσεων µέσω πολυωνύµων. Πολυώνυµο είναι κάθε συνάρτηση της µορφής:

Συνήθεις διαφορικές εξισώσεις προβλήματα οριακών τιμών

Αριθμητική Ανάλυση & Εφαρμογές

Αριθµητική Ανάλυση. Ενότητα 4 Αριθµητικός Υπολογισµός Ιδιοτιµών και Ιδιοδιανυσµάτων. Ν. Μ. Μισυρλής. Τµήµα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών,

Αριθµητική επίλυση εξισώσεων και παρεµβολή µέσω υπολογιστή για την εκπαιδευτική διαδικασία

τη µέθοδο της µαθηµατικής επαγωγής για να αποδείξουµε τη Ϲητούµενη ισότητα.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΜΗ ΓΡΑΜΜΙΚΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ

1η Οµάδα Ασκήσεων. ΑΣΚΗΣΗ 1 (Θεωρία)

10 ΣΥΝΗΘΕΙΣ ΙΑΦΟΡΙΚΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ

Ηλεκτρονικοί Υπολογιστές ΙΙ : Εισαγωγή στην Αριθµητική Ανάλυση

Q 12. c 3 Q 23. h 12 + h 23 + h 31 = 0 (6)

P (Ηρ) = 0.4 P (Αρ) = 0.32 P (Απ) = 0.2

2.4 ΚΛΑΣΜΑΤΙΚΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ. Εστω f πραγµατική συνάρτηση, της οποίας είναι γνωστές µόνον οι τιµές f(x i ) σε n+1 σηµεία xi

Αριθµητική Ανάλυση. Ενότητα 1 Σφάλµατα στους Αριθµητικούς Υπολογισµούς. Ν. Μ. Μισυρλής. Τµήµα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών,

0 x < (x + 2) 2 x < 1 f X (x) = 1 x < ( x + 2) 1 x < 2 0 x 2

1 Πολυωνυµική Παρεµβολή

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥ ΩΝ «ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ» ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ Ι (ΘΕ ΠΛΗ 12) ΕΡΓΑΣΙΑ 4

ΘΕΜΑ 2ο. Άσκηση εφαρµογής της µεθόδου Newton Raphson

Αριθµητική Ανάλυση. 27 Οκτωβρίου Αριθµητική Ανάλυση 27 Οκτωβρίου / 72

ΑΛΓΕΒΡΑ Α ΛΥΚΕΙΟΥ ΑΠΟΣΤΟΛΟΥ ΓΙΩΡΓΟΣ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΣ

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ Ι (ΠΕΡΙΤΤΟΙ) Λυσεις Ασκησεων - Φυλλαδιο 2

Αλγεβρικες οµες Ι Ασκησεις - Φυλλαδιο 4

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥ ΩΝ: ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΘΕ: ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΉ Ι (ΠΛΗ 12) ΛΥΣΕΙΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 3

Τίτλος Μαθήματος: Συνήθεις Διαφορικές Εξισώσεις Ι

Μάθηµα Θεωρίας Αριθµών Ε.Μ.Ε

4.1 Η ΕΝΝΟΙΑ ΤΗΣ ΕΞΙΣΩΣΗΣ

Πεπερασμένες Διαφορές.

ΘΕΜΑΤΑ ΕΞΕΤΑΣΕΩΝ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΩΝ Ι Ι ΑΣΚΩΝ : ρ. Χρήστος Βοζίκης

Αριθμητική Ανάλυση και Εφαρμογές

x(t) 2 = e 2 t = e 2t, t > 0

Αριθµητική Ανάλυση. Ενότητα 2 Αριθµητική Επίλυση µη Γραµµικών Εξισώσεων. Ν. Μ. Μισυρλής. Τµήµα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών,

Αλγόριθµοι και Πολυπλοκότητα

4. Σειρές Τέηλορ και Μακλώριν

ΑΛΓΕΒΡΑ Α ΛΥΚΕΙΟΥ ΑΠΟΣΤΟΛΟΥ ΓΙΩΡΓΟΣ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΣ

Παρεµβολή και Προσέγγιση Συναρτήσεων

Αριθμητική Ανάλυση. Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα. Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Αθήνας. Δρ Ι. Φαμέλης

ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. Κωνσταντίνος Ξ. Τσιόκας. Αν. Καθηγήτρια Α.Π.Θ.

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ Ι (ΠΕΡΙΤΤΟΙ) Λυσεις Ασκησεων - Φυλλαδιο 3

1 η δεκάδα θεµάτων επανάληψης

Συνήθεις ιαφορικές Εξισώσεις, Απαντήσεις-Παρατηρήσεις στην Εξέταση Περιόδου Σεπτεµβρίου.

1η Οµάδα Ασκήσεων. ΑΣΚΗΣΗ 1 (Θεωρία)

Αλγεβρικες οµες Ι Ασκησεις - Φυλλαδιο 2

Κεφάλαιο 6. Εισαγωγή στη µέθοδο πεπερασµένων όγκων επίλυση ελλειπτικών και παραβολικών διαφορικών εξισώσεων

Κρυπτογραφία και Πολυπλοκότητα

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΡΗΤΗΣ Τµήµα Επιστήµης Υπολογιστών. HY-217: Πιθανότητες-Χειµερινό Εξάµηνο ιδάσκων : Π. Τσακαλίδης.

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ Ι (ΑΡΤΙΟΙ) Λυσεις Ασκησεων - Φυλλαδιο 2

Θεωρια Αριθµων. Θεωρητικα Θεµατα. Ακαδηµαϊκο Ετος ιδασκοντες: Α. Μπεληγιάννης & Σ. Παπαδάκης

Κεφάλαιο 3 ΠΑΡΑΓΩΓΟΣ. 3.1 Η έννοια της παραγώγου. y = f(x) f(x 0 ), = f(x 0 + x) f(x 0 )

Οι πραγµατικοί αριθµοί

2.1 Αριθμητική επίλυση εξισώσεων

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΩΝ - ΤΜΗΜΑ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΩΝ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 26 ΙΟΥΛΙΟΥ 2008 ΕΥΤΕΡΟ ΜΕΡΟΣ :

Αριθμητική παραγώγιση εκφράσεις πεπερασμένων διαφορών

ΘΕΜΑΤΑ ΕΞΕΤΑΣΗΣ ΚΑΙ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟ ΟΣ:

Transcript:

Αριθµητική Ανάλυση ιδάσκοντες: Τµήµα Α ( Αρτιοι) : Καθηγητής Ν. Μισυρλής, Τµήµα Β (Περιττοί) : Επίκ. Καθηγητής Φ.Τζαφέρης ΕΚΠΑ 27 Μαΐου 2010 ιδάσκοντες:τµήµα Α ( Αρτιοι) : Καθηγητής Ν. Μισυρλής,Τµήµα Β Αριθµητική (Περιττοί) : Ανάλυση Επίκ. Καθηγητής Φ.Τζαφέρης (ΕΚΠΑ) 27 Μαΐου 2010 1 / 20

Αριθµητική Επίλυση Συνήθων ιαφορικών Εξισώσεων Συνήθης διαφορική εξίσωση πρώτης τάξης y = f(x, y) (1) όπου y = y(x) µία άγνωστη συνάρτηση του x, που ικανοποιεί την συνθήκη y(x 0) = y 0 (2) µε x 0, y 0 δεδοµένα και f µία γνωστή συνάρτηση των x και y. Υπαρξη και µονοσήµαντο λύσης Είναι γνωστό από τη ϑεωρία των διαφορικών εξισώσεων ότι αν η f(x, y) είναι συνεχής στον τόπο S µε S {(x, y) x 0 x x n, < y < + } (3) και ικανοποιεί µία συνθήκη Lipshitz στην λωρίδα S µε σταθερά L (> 0), δηλαδή f(x, y 1) f(x, x 2) L y 1 y 2, (4) τότε το πρόβληµα των αρχικών τιµών (1)-(2) έχει ακριβώς µία λύση για κάθε x [x 0, x n]. ιδάσκοντες:τµήµα Α ( Αρτιοι) : Καθηγητής Ν. Μισυρλής,Τµήµα Β Αριθµητική (Περιττοί) : Ανάλυση Επίκ. Καθηγητής Φ.Τζαφέρης (ΕΚΠΑ) 27 Μαΐου 2010 2 / 20

Ανάπτυξη αριθµητικών µεθόδων Εύρεση της προσεγγιστικής τιµής της y σε ένα τυχόν σηµείο x x 0. Εκλέγουµε αυθαίρετα ένα ϕυσικό αριθµό n και συµβολίζουµε µε x n την τιµή του x για την οποία µας Ϲητείται η τιµή της y. ιαιρούµε το διάστηµα [x 0, x n] σε n ίσα υποδιαστήµατα µε τα σηµεία x i, i = 1, 2,..., n 1. Είναι ϕανερό ότι τα σηµεία x i, i = 0, 1,..., n ορίζονται από τις σχέσεις x i = x 0 + ih, h = µε i = 0, 1,..., n όπου h είναι το ϐήµα ολοκλήρωσης. xn x0 Ακολούθως εφαρµόζοντας µία από τις αριθµητικές µεθόδους που ϑα αναπτύξουµε στα επόµενα ϐρίσκουµε την y 1 που είναι µία προσεγγιστική τιµή της ακριβούς τιµής y(x 1) µετά, χρησιµοποιώντας την y 1, ϐρίσκουµε την y 2 κ.ο.κ. και τέλος την y n την οποία και δεχόµαστε σαν την αριθµητική λύση του προβλήµατος στο σηµείο x = x n. Στην πράξη λαµβάνουµε n = 1 και ϐρίσκουµε την y n ( y 1). Μετά λαµβάνουµε n = 2 και ϐρίσκουµε την y n ( y 2), n = 4, 8 κ.ο.κ. µέχρις ότου δύο διαδοχικές τιµές για την y n συµφωνούν σε ένα προκαθορισµένο πλήθος δεκαδικών ψηφίων οπότε την τελευταία τιµή y n δεχόµαστε σαν την αριθµητική λύση της διαφορικής εξίσωσης στο σηµείο x = x n. n, ιδάσκοντες:τµήµα Α ( Αρτιοι) : Καθηγητής Ν. Μισυρλής,Τµήµα Β Αριθµητική (Περιττοί) : Ανάλυση Επίκ. Καθηγητής Φ.Τζαφέρης (ΕΚΠΑ) 27 Μαΐου 2010 3 / 20

Η µέθοδος του Euler Η µέθοδος του Euler είναι µία µέθοδος του απλού ϐήµατος όπου η τιµή της παραγώγου της συνάρτησης y(x) σε ένα άγνωστο σηµείο του διαστήµατος [x i, x i+1 ] προσεγγίζεται µε την τιµή της ίδιας της παραγώγου στο σηµείο x i. Ετσι διατηρώντας δύο όρους στο ανάπτυγµα του Taylor έχουµε y(x i+1 ) = y(x i + h) = y(x i ) + hy (x i + θ i h), i = 0, 1,..., n 1 (5) όπου 0 < θ i < 1. ιδάσκοντες:τµήµα Α ( Αρτιοι) : Καθηγητής Ν. Μισυρλής,Τµήµα Β Αριθµητική (Περιττοί) : Ανάλυση Επίκ. Καθηγητής Φ.Τζαφέρης (ΕΚΠΑ) 27 Μαΐου 2010 4 / 20

Αν τώρα προσεγγίσουµε την y (x i + θ i h) µε την y (x) και χρησιµοποιήσουµε τα σύµβολα y i, y i για τις προσεγγιστικές τιµές των y(x i ) και y (x i ), αντίστοιχα, τότε η (5) γίνεται y i+1 = y i + hy i, i = 0, 1,..., n 1. (6) Αλλά άρα η (6) δίνει τελικά y i = f(x i, y i ) (7) y i+1 = y i + hf(x i, y i ), i = 0, 1,..., n 1. (8) ιδάσκοντες:τµήµα Α ( Αρτιοι) : Καθηγητής Ν. Μισυρλής,Τµήµα Β Αριθµητική (Περιττοί) : Ανάλυση Επίκ. Καθηγητής Φ.Τζαφέρης (ΕΚΠΑ) 27 Μαΐου 2010 5 / 20

Η σχέση (8), αν γνωρίζουµε την y(x i ), γίνεται y (x i+1 ) = y(x i ) + hy (x i ), i = 0, 1,..., n 1 όπου ο συµβολίζει την προσεγγιστική τιµή, οπότε το σφάλµα είναι ή p i+1 = y (x i+1 ) y(x i+1 ) = y(x i ) + hy (x i ) y(x i ) hy (x i + θ i h) = hy (x i ) hy (x i ) h2 2! y (x i + θ i h) p i+1 = h2 2 y (x i + θ i h), 0 < θ i < 1, i = 0, 1,..., n 1. Το ανωτέρω σφάλµα καλείται τοπικό σφάλµα αποκοπής και όπως παρατηρούµε είναι ανάλογο του O ( h 2) (δεύτερης τάξης ως προς h). ιδάσκοντες:τµήµα Α ( Αρτιοι) : Καθηγητής Ν. Μισυρλής,Τµήµα Β Αριθµητική (Περιττοί) : Ανάλυση Επίκ. Καθηγητής Φ.Τζαφέρης (ΕΚΠΑ) 27 Μαΐου 2010 6 / 20

Παράδειγµα Εστω το πρόβληµα των αρχικών τιµών y = y + x + 1, 0 x 1 y(0) = 1. Αν n = 10, να υπολογιστεί η y(1.0) µε τη µέθοδο του Euler. Λύση Εχουµε f(x, y) = y + x + 1, x 0 = 0, y 0 = 1, x n = 1.0 h = x n x 0 n = 1.0 0 10 = 0.1 και x i = x 0 + ih = 0.1i οπότε η µέθοδος του Euler είναι η y i+1 = y i + hf(x i, y i ), i = 0, 1,..., n 1 ή y i+1 = y i + h( y i + x i + 1), i = 0, 1,..., 9. ιδάσκοντες:τµήµα Α ( Αρτιοι) : Καθηγητής Ν. Μισυρλής,Τµήµα Β Αριθµητική (Περιττοί) : Ανάλυση Επίκ. Καθηγητής Φ.Τζαφέρης (ΕΚΠΑ) 27 Μαΐου 2010 7 / 20

Εφαρµόζοντας επαναληπτικά τον ανωτέρω τύπο ϐρίσκουµε (i = 0) y 1 = y 0 + h( y 0 + x 0 + 1) = 1 + 0.1( 1 + 0 + 1) = 1.0 (i = 1) y 2 = y 1 + h( y 1 + x 1 + 1) = 1.0 + 0.1( 1 + 0.0 + 1) = 1.01 (i = 2) y 3 = y 2 + h( y 2 + x 2 + 1) = 1.01 + 0.1( 1.01 + 0.2 + 1) = 1.029. (i = 9) y 10 = 1.348678. ιδάσκοντες:τµήµα Α ( Αρτιοι) : Καθηγητής Ν. Μισυρλής,Τµήµα Β Αριθµητική (Περιττοί) : Ανάλυση Επίκ. Καθηγητής Φ.Τζαφέρης (ΕΚΠΑ) 27 Μαΐου 2010 8 / 20

Πίνακας υπολογισµών και σφαλµάτων Η ακριβής λύση είναι η y(x) = x + e x. i x i y i y(x i ) y i y(x i ) 0 0 1.0 1.00 0 1 0.1 1.0 1.004837 0.004837 2 0.2 1.01 1.018731 0.008731 3 0.3 1.029 1.040818 0.011818 4 0.4 1.0561 1.070320 0.014220 5 0.5 1.09049 1.106531 0.016041 6 0.6 1.131441 1.148812 0.017371 7 0.7 1.178297 1.196585 0.018288 8 0.8 1.230467 1.249329 0.018862 9 0.9 1.287420 1306570 0.019150 10 1.0 1.348618 1.361879 0.019201 Παρατηρούµε ότι τα σφάλµατα αυξάνονται όσο αυξάνεται η τιµή των x i. Η ελεγχόµενη αυτή αύξηση του σφάλµατος οφείλεται στην ευστάθεια της µεθόδου του Euler, πράγµα που δηλώνει ότι τα σφάλµατα στρογγύλευσης αναµένονται να αυξηθούν ανάλογα µε το h. ιδάσκοντες:τµήµα Α ( Αρτιοι) : Καθηγητής Ν. Μισυρλής,Τµήµα Β Αριθµητική (Περιττοί) : Ανάλυση Επίκ. Καθηγητής Φ.Τζαφέρης (ΕΚΠΑ) 27 Μαΐου 2010 9 / 20

Η µέθοδος της σειράς Taylor Η µέθοδος της σειράς Taylor είναι η γενίκευση της µεθόδου του Euler και είναι περισσότερο ακριβής. Συνιστάται δε στην περίπτωση όπου οι παράγωγοι ανώτερης τάξης της f(x, y) µπορούν να υπολογιστούν εύκολα. Οπως και στη µέθοδο του Euler αναπτύσσουµε κατά Taylor κρατώντας k + 1 όρους, οπότε y(x i+1 ) = y(x i + h) = y(x i ) + hy (x i ) +... + hk k! y(k) (x i + θ i h) (9) όπου 0 < θ i < 1, i = 0, 1,..., n 1, ή y(x i+1 ) = y(x i )+hy (x i )+...+ hk k! y(k) (x i )+O ( h k+1), i = 0, 1,..., n 1. (10) ιδάσκοντες:τµήµα Α ( Αρτιοι) : Καθηγητής Ν. Μισυρλής,Τµήµα Β Αριθµητική (Περιττοί) : Ανάλυση Επίκ. Καθηγητής Φ.Τζαφέρης (ΕΚΠΑ) 27 Μαΐου 2010 10 / 20

Τοπικό σφάλµα αποκοπής ίνεται τώρα από τον τύπο hk+1 p i+1 = (k + 1)! y(k+1) (x i + θ i h), 0 < θ i < 1, i = 0, 1,..., n 1. Από την (10) έχουµε y i+1 = y i + hy i + h2 2! y i +... + hk k! y(k) i, i = 0, 1,..., n 1 που αποτελεί τη γνωστή σαν µέθοδο της σειράς Taylor. ιδάσκοντες:τµήµα Α ( Αρτιοι) : Καθηγητής Ν. Μισυρλής,Τµήµα Β Αριθµητική (Περιττοί) : Ανάλυση Επίκ. Καθηγητής Φ.Τζαφέρης (ΕΚΠΑ) 27 Μαΐου 2010 11 / 20

Παράδειγµα 1 Να χρησιµοποιηθεί η µέθοδος του Taylor µε τρεις και τέσσερις όρους για το πρόβληµα y = y + x + 1, 0 x 1, y(0) = 1. Λύση Η µέθοδος του Taylor µε τρεις όρους είναι η y i+1 = y i + hy i + h2 2 y i, i = 0, 1,..., n 1 οπότε µας χρειάζονται οι εκφράσεις της πρώτης και δεύτερης παραγώγου της y. Εχουµε y = y + x + 1 y = ( y + x + 1) = y + 1 = y x 1 + 1 = y x. Αρα για n = 10, x 0 = 0, y 0 = 1, x n = 1.0, h = xn x0 = 0.1 έχουµε n y i+1 = y i + h( y i + x i + 1) + h2 2 (y i x i ), i = 0, 1,..., 9. ιδάσκοντες:τµήµα Α ( Αρτιοι) : Καθηγητής Ν. Μισυρλής,Τµήµα Β Αριθµητική (Περιττοί) : Ανάλυση Επίκ. Καθηγητής Φ.Τζαφέρης (ΕΚΠΑ) 27 Μαΐου 2010 12 / 20

Εποµένως (i = 0) y 1 = y 0 + h( y 0 + x 0 1) + h2 2 (y 0 x 0 ) = 1 + 0.1( 1 + 0 1) + (0.1)2 (1 0) 2 = 1 + 0.01 = 1 + 0.005 = 1.005 2 (i = 1) y 2 = y 1 + h( y 1 + x 1 1) + h2 2 (y 1 x 1 ) = 1.005 + 0.1( 1.005 + 0.1 + 1) + (0.1)2 (1.005 0.1) 2 = 1.019025. (i = 9) y 10 = 1.368541. ιδάσκοντες:τµήµα Α ( Αρτιοι) : Καθηγητής Ν. Μισυρλής,Τµήµα Β Αριθµητική (Περιττοί) : Ανάλυση Επίκ. Καθηγητής Φ.Τζαφέρης (ΕΚΠΑ) 27 Μαΐου 2010 13 / 20

Παράδειγµα 2 Να χρησιµοποιηθεί η µέθοδος του Euler στο ακόλουθο πρόβληµα αρχικών τιµών y = y y(0) = 1 του οποίου η λύση είναι η y(x) = e x. Πιο συγκεκριµένα να ϐρεθεί η y(0.4) όταν h = 0.1 και h = 0.2. Λύση Εχουµε f(x, y) = y, x 0 = 0, y 0 = 1, x n = 0.4, h = 0.1 και x i = x 0 + ih, i = 0, 1,..., 4 ή x 0 = 0, x 1 = 0.1, x 2 = 0.2, x 3 = 0.3 και x 4 = 0.4. Η µέθοδος του Euler είναι η ή y i+1 = y i + hf(x i, y i ), i = 0, 1,..., n 1 y i+1 = y i + h( y i ), i = 0, 1,..., 3 ιδάσκοντες:τµήµα Α ( Αρτιοι) : Καθηγητής Ν. Μισυρλής,Τµήµα Β Αριθµητική (Περιττοί) : Ανάλυση Επίκ. Καθηγητής Φ.Τζαφέρης (ΕΚΠΑ) 27 Μαΐου 2010 14 / 20

συνεπώς (i = 0) y 1 = y 0 hy 0 = 1 0.1 1 = 0.9 (i = 1) y 2 = y 1 hy 1 = 0.9 0.1 0.9 = 0.81 (i = 2) y 3 = y 2 hy 2 = 0.81 0.1 0.81 = 0.729 (i = 3) y 4 = y 3 hy 3 = 0.729 0.1 0.729 = 0.6561. ιδάσκοντες:τµήµα Α ( Αρτιοι) : Καθηγητής Ν. Μισυρλής,Τµήµα Β Αριθµητική (Περιττοί) : Ανάλυση Επίκ. Καθηγητής Φ.Τζαφέρης (ΕΚΠΑ) 27 Μαΐου 2010 15 / 20

Πίνακας υπολογισµών και σφαλµάτων Οταν h = 0.2 έχουµε i x i y i e xi e xi y i 0 0 1.000 1.000 0 1 0.1 0.900 0.9048 0.0048 2 0.2 0.8100 0.8187 0.0087 3 0.3 0.7290 0.7408 0.0118 4 0.4 0.6561 0.6703 0.0142 i x i y i e xi e xi y i 0 0 1.000 1.000 0 1 0.2 0.800 0.8187 0.0187 2 0.4 0.6400 0.6703 0.0303 Παρατηρούµε ότι το σφάλµα αυξάνει όσο αυξάνει το x. Επίσης τα σφάλµατα για h = 0.2 είναι περίπου δύο ϕορές µεγαλύτερα από την περίπτωση όπου h = 0.1. Από το αριθµητικό αυτό παράδειγµα παρατηρούµε ότι το σφάλµα είναι ανάλογο του h, πράγµα που αληθεύει σύµφωνα µε τη ϑεωρία. ιδάσκοντες:τµήµα Α ( Αρτιοι) : Καθηγητής Ν. Μισυρλής,Τµήµα Β Αριθµητική (Περιττοί) : Ανάλυση Επίκ. Καθηγητής Φ.Τζαφέρης (ΕΚΠΑ) 27 Μαΐου 2010 16 / 20

Αριθµητική επίλυση συνήθων διαφορικών εξισώσεων µε συνοριακές συνθήκες Συνήθης ιαφορική Εξίσωση 2ης τάξης Εστω η συνήθης διαφορική εξίσωση 2ης τάξης y = f(x) (11) µε y(a) = α, y(b) = β µε a, b (a < b), α, β γνωστά και f γνωστή συνάρτηση του x. Με την προϋπόθεση ότι το παραπάνω πρόβληµα έχει µία λύση ορίζουµε αυθαίρετα ϕυσικό αριθµό n και στη συνέχεια το ϐήµα ολοκλήρωσης. h = b a n ιδάσκοντες:τµήµα Α ( Αρτιοι) : Καθηγητής Ν. Μισυρλής,Τµήµα Β Αριθµητική (Περιττοί) : Ανάλυση Επίκ. Καθηγητής Φ.Τζαφέρης (ΕΚΠΑ) 27 Μαΐου 2010 17 / 20

Ε πίσης ορίζουµε τα σηµεία x i = x 0 + ih, i = 0, 1,..., n µε x 0 = a. Το πρόβληµά µας είναι να ϐρούµε τις προσεγγιστικές τιµές y i των y(x i ), 1 i n 1 που να επαληθεύουν την y = f(x) όταν γνωρίζουµε ότι Αντικαθιστώντας λαµβάνουµε y 0 = α και y n = β. y i y i 1 2y i + y i+1 h 2, i = 1, 2,..., n 1 y i 1 2y i + y i+1 = h 2 f(x i ), i = 1, 2,..., n 1. (12) ιδάσκοντες:τµήµα Α ( Αρτιοι) : Καθηγητής Ν. Μισυρλής,Τµήµα Β Αριθµητική (Περιττοί) : Ανάλυση Επίκ. Καθηγητής Φ.Τζαφέρης (ΕΚΠΑ) 27 Μαΐου 2010 18 / 20

Τριδιαγώνιο Γραµµικό Σύστηµα Οι παραπάνω εξισώσεις αποτελούν ένα σύστηµα n 1 γραµµικών εξισώσεων µε n 1 αγνώστους που λόγω των συνοριακών τιµών λαµβάνει την ακόλουθη µορφή ή 2y 1 y 2 = α h 2 f(x 1 ) y 1 +2y 2 y 3 = h 2 f(x 2 )............ y n 3 +2y n 2 y n 1 = h 2 f(x n 2 ) y n 2 +2y n 1 = β h 2 f(x n 1 ) (13) Ay = k (14) ιδάσκοντες:τµήµα Α ( Αρτιοι) : Καθηγητής Ν. Μισυρλής,Τµήµα Β Αριθµητική (Περιττοί) : Ανάλυση Επίκ. Καθηγητής Φ.Τζαφέρης (ΕΚΠΑ) 27 Μαΐου 2010 19 / 20

όπου και 2 1 0 1 2 1 A =. 1 2........ 1 0 1 2 k = α h 2 f(x 1 ) h 2 f(x 2 ). hf(x n 2 ) β h 2 f(x n 1 ). ιδάσκοντες:τµήµα Α ( Αρτιοι) : Καθηγητής Ν. Μισυρλής,Τµήµα Β Αριθµητική (Περιττοί) : Ανάλυση Επίκ. Καθηγητής Φ.Τζαφέρης (ΕΚΠΑ) 27 Μαΐου 2010 20 / 20