惟愿言行合一,砥砺前行

0%

数值分析_总结

数值分析

引论

基本概念

  • 误差:近似值和实际值(精确值)的差别。
  • 误差限:误差的限度。是误差绝对值的“上界”
  • 相对误差:误差除以实际值乘以 100%。相对误差较小时,可除以近似值。
  • 相对误差限:相对误差的限度。相对误差限小则近似程度好。
  • 有效数字:一个数中,可供判断精度的数字。若近似值 x*的绝对误差限是某一位上的半个单位,且该位直到 x*的第一位非零数字一共有 n 位,则称它有 n 位有效数字,或精确到该位(比如精确到 0.1,0.0001)。
  • 经过四舍五入得到的近似数:有效数字可以通过四舍五入判定原则直观地数出来的数。

有效数字位数的三种判定方法

  • 通过定义(绝对误差)判定:计算出近似值的绝对误差,再取一个最小的某一位上的半个单位的绝对误差限,即可得到精度。

【例】绝对误差=0.008<0.05,说明绝对误差限可取 0.05=0.5/10,精确到 0.1。

  • 通过四舍五入原则判定:若近似值是由精确值四舍五入得到的,可采用这种判定方法。

【例】3.1415926,3.14 由小数点后第 3 位四舍五入得到,则 3.14 精确到小数点后第二位,从这一位到前面第一个不等于 0 的数都是 3.14 的有效数字。

  • 通过相对误差限判定有效数字的位数:近似值边界判定+绝对误差判定=>有效数字位数。

有效数字与相对误差限的关系

(公式是记不住的,推导=绝对误差判断方法+近似值边界判定。)

  • 利用有效数字估算绝对误差限,结合a1a_1确定近似值的下界,相除,以近似值估计相对误差。

近似值x=±0.a1a2an×10mx^{*}=±0.a_1a_2…a_n×10^m,其有 n 位有效数字,a10a_1≠0,则其相对误差限为12a1×10n+1\frac{1}{2a_1}×10^{-n+1}

  • 结合a1a_1确定近似值的上界,相乘,得到绝对误差限,借此判断有效数字位数。

近似值x=±0.a1a2an×10mx^{*}=±0.a_1a_2…a_n×10^ma10a_1≠0,其相对误差限为12a1+1×10n+1\frac{1}{2a_1+1}×10^{-n+1},则其有 n 位有效数字。

误差限的估计公式

已知 x,y 的绝对或相对误差限,求 f(x,y)的绝对或相对误差限。

(仅写出绝对误差限公式,相对误差的公式直接由此推导就好了,记不住的)

  • 加减运算:x 和 y 的加减结果的绝对误差限=x 的误差限+y 的误差限。

(x±y)(x±y)xx+yy|(x^{*}±y^{*})-(x±y)|≤|x^{*}-x|+|y^{*}-y|

  • ☆☆☆乘除运算:绝对误差限较小时的估计方式(为简化结果)——

η(xy)xη(y)+yη(x)η(x^{*}y^{*})≈|x^{*}|η(y^{*})+|y^{*}|η(x^{*})

η(xy)xη(y)+yη(x)y2,y0,y0\eta (\frac{x^{*}}{y^{*}})≈\frac{|x^{*}|η(y^{*})+|y^{*}|η(x^{*})}{|y^{*}|^2},y≠0,y^{*}≠0

近似计算中的原则

保留位数原则

加减运算:小数位
  • 计算时:把近似数中小数位数较多的数四舍五入,使其比小数位数最少的数多一位。
  • 计算结果:保留的小数位数与原近似数中小数位数最少者相同。
乘除运算:有效数字
  • 计算时:因子保留的位数应比有效数字位数最少者的位数多一位。
  • 计算结果:有效数位数与原近似值中有效数字位数最少者至多少一位。
乘方与开方运算:有效数字
  • 计算结果:有效数字位数与原近似值的有效数字位数相同。
对数运算:有效数字
  • 计算结果:有效数字位数与其真数(被对数运算的数)的有效数字位数相同。
中间计算过程
  • 应比上述保留位数原则所提及的位数多取一位,在进行最后一次计算时这一位要舍入。
原始数据选取
  • 加减运算:小数位应比计算结果要求的多一位。
  • 上述其他运算:有效数字位数应比计算结果要求的多一位。

其他原则

  • 避免两个相近的数相减:有效数字损失。
  • 避免除数绝对值远远小于被除数绝对值的除法:舍入误差增大。
  • 要防止“大数”吃掉“小数”:数量级相差过大时小数在计算过程中被舍入(比如计算机内计算时加减法要对阶)。
  • 要尽可能减少运算次数:减小累积误差。

重点应用

求误差限

  • 已知经过四舍五入得到的近似数(或误差限),求它们的四则运算结果的误差限:利用有效数字数量可以反过来估算一个绝对误差限。再结合近似值的上下界可进一步估算相对误差限。

算术运算

  • 保留位数原则的利用。
  • 利用近似原则分析运算优劣。

仅在选择、判断常见的内容

计算方法的研究方法

  • “离散化”方法:将连续变量问题转化为离散变量问题。
  • “递推”方法:将复杂问题转化为简单问题的重复。
  • “近似替代”方法:将不能用有限计算解决的问题转化为较简单的有限计算问题。

误差的来源(需要具备判断误差种类的能力)

  • 模型误差:问题理想化。
  • 观测误差:原始数据观测误差。
  • ☆截断误差:计算是有限次带来的误差。
  • ☆舍入误差:参与计算的数长度有限带来的误差。

为什么要引入误差限的概念?

  • 答:因为精确值一般未知,误差只能在一定范围内研究,而这个范围就叫做误差限。由于研究范围是不惟一的,误差限也具有不惟一性。

Summary_page_1




插值方法

两个插值惟一性

均可用反证法证明。

  • 插值多项式的存在惟一性:n+1 个数据对应的次数不高于 n 的代数多项式存在且惟一。
  • Hermite 插值多项式的惟一性:满足给定条件的 Hermite 插值多项式惟一。

Lagrange 插值公式

  • 插值基函数ln(x)l_n(x):次数为 n 的、以x1xnx_{1} ~ x_{n}为零点、在x0x_0处为 1 的函数。
  • Lagrange 公式:函数值乘以基函数。
  • Lagrange 余项:反复求导用 Rolle 定理得到。

f(x)pn(x)=fn+1(ξ)(n+1)!i=0n(xxi)f(x)-p_n(x)=\frac{f^{n+1}(ξ)}{(n+1)!}\prod_{i=0}^{n}(x-x_i)

Newton 插值公式

  • 插值基函数φn(x)\varphi_n(x)(xx0)(x-x_0)(xxn1)(x-x_{n-1})的乘积。
  • Newton 公式:差商乘以基函数。
  • ☆Newton 余项:

f(x)Nn(x)=f[x,x0,,xn]φn(x)f(x)-N_n(x)=f[x,x_0,···,x_{n}]\varphi _n(x)

  • k 阶差商:

f[x0,x1,,xk]=f[x0,,xk1]f[x1,,xk]x0xkf[x_0,x_1,···,x_k]=\frac{f[x_0,···,x_{k-1}]-f[x_1,···,x_{k}]}{x_0-x_k}

  • ☆k 阶差商表示形式二:该表示形式承袭性弱。

    用数学归纳法可证。(证明方式由差商的定义形式可知)

f[x0,x1,,xk]=j=0kf(xj)ωk(xj),ωk(xj)=i=0,ijk(xxi)f[x_0,x_1,···,x_k]=\sum_{j=0}^{k}\frac{f(x_j)}{\omega '_k(x_j)},\omega '_k(x_j)=\prod^k_{i=0,i≠j}(x-x_i)

  • 表达形式二可推出:
    • 差商的对称性:差商的值与节点的排列顺序无关。
    • 数据点越多的、带 x 数据项的差商的 x 幂次反而越低。

Hermite 插值

  • 仅讨论一阶导数值和函数值给定的情况。

  • 插值基函数φn(x)\varphi _n(x)Ψn(x)\Psi _n(x):与 Lagrange 基函数构造思路一致。

    区别:根据导数条件构造的基函数与根据函数值构造的基函数符号相异。

  • Hermite 公式:函数或导数值乘以基函数。

  • Hermite 基函数的多项式系数计算方法:

    • 按照定义构造式子,解线性方程组死算。
    • 根据承袭性。比如已知x0,x2,,xnx_0,x_2,···,x_n对应的函数值,并知道某些点的导数值(比如知道x0,x1x_0,x_1的),则可以构造函数,pn(x)p_n(x)是 Lagrange 或者 Newton 求出来的多项式,分别求解pn(x)p_n(x)aia_i

Hn+2(x)=pn(x)+(a0x+a1)(xx0)(xx1)(xxn)H_{n+2}(x)=p_{n}(x)+(a_0x+a_1)(x-x_0)(x-x_1)···(x-x_n)

  • Hermite 余项:在某一结点有多少项就乘以多少次方。

f(x)Hn(x)=fn+1(ξ)(n+1)!i=0n1(xxi)×i=0n2(xxi),n1+n2=nf(x)-H_n(x)=\frac{f^{n+1}(ξ)}{(n+1)!}\prod_{i=0}^{n_1}(x-x_i)×\prod_{i=0}^{n_2}(x-x_i),n_1+n_2=n

分段插值法

  • 分段插值公式的单个区间的 x 只在区域内。因此可以计算得到误差的最大值、精度可以被划分区间长度限制、收敛性总能得到保证、修改数据点只有局部受影响。而 Lagrange 余项或插值公式并没有对 x 取值进行讨论。
  • 分段线性插值:单个区间的误差<18hi2\frac{1}{8}h_i^2×这一段二阶导的最大值。
  • ☆分段三次 Hermite 插值:单个区间的误差<1384hi4\frac{1}{384}h_i^4×这一段四阶导的最大值。

重点应用

构造插值多项式求函数值

  • 给数据表,计算 Lagrange、Newton、Hermite 插值多项式。(一般给的数据比较少),Newton 插值多项式在 x 有规律地分布时是最好算的。
  • 也可能是求 x 的值,把表反过来用就行。

由一个插值多项式推另一个

  • 多半使用了承袭性。可以先看看之前的那个多项式是由哪些点推导而来的。如果单纯增加了导数,就 Hermite 插值多项式的承袭性;如果增加的是点,就用 Newton 差商的承袭性。后者比前者好算。

证明等式成立

  • 多半用了差商的性质,结合其他的定义式。

证明一致收敛

  • 把误差计算出来,如果在某条件下误差趋向 0,说明一致收敛。(绝对值)

仅在选择、判断中出现的内容

Lagrange 与 Newton 插值余项的比较

  • Lagrange 余项要求 f(x)有(n+1)阶导,Newton 余项中含有 f(x)。
  • Newton 插值公式可改写成:

Nn(x)=f(x0)+f(ξ1)φ1(x)++f(n)(ξn)n!φn(x),ξ[min(xi),max(xi)]N_n(x)=f(x_0)+f'(ξ_1)\varphi _1(x)+···+\frac{f^{(n)}(ξ_n)}{n!}\varphi _n(x),ξ∈[min(x_i),max(x_i)]

Runge 现象

  • 大范围内使用高次插值,逼近效果往往并不理想。

  • Runge 举例:在 x=±5 附近,p10(x)p_{10}(x)偏离 f(x)的程度远大于p5(x)p_5(x)

f(x)=11+x2,5x5f(x)=\frac{1}{1+x^2},-5≤x≤5

分段插值法的缺憾

  • 即使是分段三次 Hermite 插值,在插值节点处插值曲线也不够光滑,而且这种需要提供的信息很多。

样条插值和曲线拟合

  • 样条插值:分段三次 Hermite 插值改进,为解决插值结点处曲线不够光滑。
  • 最小二乘法:不要求所构造的逼近函数严格地通过给定的数据点,只是在某一函数类 H 中,以使残差的平方和最小为标准,作近似替代。主要讨论的是多项式拟合。

Summary_page_2




数值积分

基本概念

机械求积

  • 定义:取一个合适的值作为积分区间的平均高度,再乘以积分区间的宽度,得到积分区间的面积。
  • 应用:Newton-Cotes 公式、中矩形公式等。
  • 基本构造:令AiA_i为求积系数,xix_i为求积结点,

abf(x)dxi=0nAif(xi)∫^b_af(x)dx≈\sum^n_{i=0}A_if(x_i)

  • 求积系数AiA_i的求解方法:
    • 解线性方程组法:根据代数精度的定义,依次使 f(x)=1,x,x2,x3,,xm1,x,x^2,x^3,···,x^m,建立一系列等式,求出求积系数AiA_i
    • 插值法:用 Lagrange 插值多项式近似替代被积分函数,积分得到求积系数为Ai=abli(x)dxA_i=∫^b_al_i(x)dx。对于已知的插值节点和常数 a,b,abli(x)dx∫^b_al_i(x)dx是常数。

代数精度

  • 定义:如果求积公式对于一切次数小于等于 m 的多项式是准确的,而对于次数为 m+1 的某一多项式并不准确成立,则称该求积公式具有 m 次代数精度。
  • 证明方法:因为积分具有线性性,所以“准确成立”也具有线性性。证明 m 阶代数精度,只需要代入证明对xmx^mxm+1x^{m+1}是否准确成立即可。即:

abf(x)dx=i=0nAif(xi),f(x)=xk(k=0,1,,m)∫^b_af(x)dx=\sum^n_{i=0}A_if(x_i),f(x)=x^k(k=0,1,···,m)

  • 性质:n+1 个互异结点构造的求积公式的代数精度不低于 n。

插值型的求积公式

  • 定义:求积系数为Ai=abli(x)dxA_i=∫^b_al_i(x)dx的求积公式。
  • 性质:求积公式至少具有 n 次代数精度的充要条件是它是插值型的。

数值稳定性

  • 定义:即计算结果可靠。一个算法,如果在执行它的过程中舍入误差在一定条件下能够得到控制,即舍入误差的增长不影响产生可靠结果,则称它是数值稳定的。
  • 证明:计算总的舍入误差,若它是有上界的,则可称它是数值稳定的。

事后误差估计法

  • 定义:直接用计算结果来估计误差的方法。

Newton-Cotes 公式

  • 定义:等距节点插值型机械求积公式。将积分区间分成(n+1)份。
  • n=1,2,4 的 Newton-Cotes 公式常用:
    • ☆梯形公式:1/2, 1/2
    • ☆Simpson 公式:1/6, 4/6, 1/6
    • Cotes 公式:7/90, 32/90, 12/90, 32/90, 7/90
    • ☆三阶的 Cotes 系数为:1/8, 3/8, 3/8, 1/8
  • 性质:
    • 代数精度:因为是插值型,所以至少为 n;且当 n 为偶数时,它的代数精度至少为 n+1。由 n+1 阶多项式对应的余项做代换之后等于 0 证明。
    • 数值稳定:n=8 或之后不再具有数值稳定性,因为 Cotes 系数出现负数。总舍入误差可以写成与 Cotes 系数与(b-a)相关的。
    • ☆截断误差:(由 Lagrange 插值多项式的余项积分得到)
      • 梯形公式:R=112(ba)3f(ξ),ξ[a,b]R=-\frac{1}{12}(b-a)^3f''(ξ),ξ∈[a,b]
      • Simpson 公式:R=190(ba2)5f(4)(ξ),ξ[a,b]R=-\frac{1}{90}(\frac{b-a}{2})^5f^{(4)}(ξ),ξ∈[a,b]
      • Cotes 公式:R=8945(ba4)7f(6)(ξ),ξ[a,b]R=-\frac{8}{945}(\frac{b-a}{4})^7f^{(6)}(ξ),ξ∈[a,b]
    • n<8 时,有如下性质:(取 f(x)=1 可证)

i=0nCi=i=0nCi=1\sum^n_{i=0}C_i=\sum^n_{i=0}|C_i|=1

复化求积法

  • 原理:把区间分成 n 个小区间,在每个小区间上采用次数不高的插值多项式去替代被积函数,构造出相应的求积公式,然后把它们加起来作为整个积分区间上的求积公式。步长 h=ban\frac{b-a}{n}

  • 确定重复被加的求积节点应作图。(见章末附图)

  • 根据余项确定步长:

    • ☆复化梯形公式:RTnh312max[f(x)]|R_T|≤\frac{nh^3}{12}max[f''(x)]
    • 复化 Simpson 公式:RSnh590max[f(4)(x)]|R_S|≤\frac{nh^5}{90}max[f^{(4)}(x)]
    • 复化 Cotes 公式:RC8nh7945max[f(6)(x)]|R_C|≤\frac{8nh^7}{945}max[f^{(6)}(x)]
    • 缺陷:求导麻烦、(用导数最大值)估计较保守。
  • ☆递推法(二分法)确定步长(以梯形法为例):

    • 取 n,近似计算TnT_n
    • TnT_{n}近似计算T2nT_{2n},其中xix_i是二分新增的节点;

T2n=12Tn+(12)n[f(x1)+f(x2)++f(xn)]T_{2n}=\frac{1}{2}T_n+(\frac{1}{2})^n[f(x_1)+f(x_2)+···+f(x_n)]

  • 判断T2nTnε|T_{2n}-T_n|≤ε是否成立,如果成立则表示T2nT_{2n}满足精度要求。该判断误差的方法是一种事后误差估计法。

Romberg 积分法

  • 用误差来修正公式,由低精度求积公式的组合得到较高精度求积公式。它算法简单,收敛速度快。误差估计与 Newton-Cotes 公式截断误差同。
  • Sn=43T2n13TnCn=1615S2n115SnRn=6463C2n163CnS_n=\frac{4}{3}T_{2n}-\frac{1}{3}T_n;C_n=\frac{16}{15}S_{2n}-\frac{1}{15}S{n};R_n=\frac{64}{63}C_{2n}-\frac{1}{63}C_n

重点应用

构造求积公式(例题有,课后习题没有)

  • 由代数精度构造求积公式;

    1. 设 f(x)=1,x,x2,x3,,xm1,x,x^2,x^3,···,x^m,代入求积公式构造式。
    2. 解线性方程组,得到AiA_i
  • 由插值节点构造求积公式:

    1. 列出插值基函数;

    2. 计算插值基函数在区间内的积分,得到AiA_i

求代数精度(详情见上)

计算截断误差,通过误差判断步长等

  • 利用 Taylor 公式求截断误差;
  • 利用(复化)Newton-Cotes 公式结论求截断误差。

证明是插值型的

  • 非常规,证明题:
    • 确定插值结点,列出插值基函数;
    • 分别对插值积分,对比求积系数,看是否相等,若均相等则为插值型。
  • 常规并均分:对比 Cotes 系数。

Summary_page_3




常微分方程数值解法

基本概念

  • ☆初值问题:求解y(x)=f(x,y),y(x0)=y0y'(x)=f(x,y),y(x_0)=y_0方程组,满足 Lipschitz 条件则有唯一解。

Lipschitz:f(x,y)f(x,yˉ)Lyyˉ,L0Lipschitz:|f(x,y)-f(x,{ \bar y})|\leq L|y-\bar y|,L\geq 0

  • yny_ny(xn)y(x_n)的近似值。y(xn)y(x_n)是 y(x)在xnx_n处的精确值。
  • 显式递推公式等式右边没有yn+1y_{n+1},隐式的有。
  • 局部截断误差:
    • 定义:假定在求yn+1y_{n+1}的递推公式中等式右边所有的量都是精确的,在此前提下的y(xn+1)yn+1y(x_{n+1})-y_{n+1}
    • 计算方法:使用局部截断误差的定义和 Taylor 公式展开。
  • 精度:局部截断误差为O(hp+1)O(h^{p+1}),则称此方法精度为 p 阶。
  • 收敛性:h→0(同时 n→∞)时趋向于准确解y(xn)y(x_n)
    • 收敛性定理:假设单步法具有 p 阶精度,且增量函数满足 Lipschitz 条件,且初值是准确的,则其整体截断误差为O(hp)O(h^p)
  • 稳定性:误差的积累得到控制。
    • 扰动:$\delta _n=\tilde y_n-y_n $。
    • 隐式尤拉法无条件稳定。
  • 整体截断误差:y(xn)yn|y(x_{n})-y_{n}|可由局部截断误差反复递推得到。

近似递推公式

构造方法

一阶差商法
  • 尤拉法(折线法):向前差商,显式,单步,一阶;
  • 隐式尤拉法:向后差商,隐式,单步,一阶;不能直接计算:
    • 计算时化为显式;
    • 预报-校正法:尤拉预报,隐式校正。
  • 二步尤拉法(中心差商法):中间差商,显式,二步,二阶。
解定积分法
  • 原理:xnxn+1ydx=y(xn+1)y(xn)=hf(xξ,yξ)∫^{x_{n+1}}_{x_n}y'dx=y(x_{n+1})-y(x_n)=hf(x_ξ,y_ξ)。其中解定积分参考第三章。

  • 梯形公式:

    • f(xξ,yξ)=f(xn,yn)+f(xn+1,yn+1)2f(x_ξ,y_ξ)=\frac{f(x_n,y_n)+f(x_{n+1},y_{n+1})}{2}。单步,隐式,二阶。
    • 是尤拉法和隐式尤拉法的算术平均,计算量大。
  • 改进的尤拉法:用预报-校正法改进梯形公式的结果。

    • 嵌套形式:将预报值直接代入梯形公式中。

    • 平均化形式:利用了梯形公式是尤拉法和隐式尤拉法的算术平均。

      这种形式更好观察几何意义。

      yp=yn+hf(xn,yn)=yn+hk1;y_p=y_n+hf(x_n,y_n)=y_n+hk_1;

      yc=yn+hf(xn+1,yp)=yn+hk2;y_c=y_n+hf(x_{n+1},y_p)=y_n+hk_2;

      yn+1=12(yp+yc)y_{n+1}=\frac{1}{2}(y_p+y_c)

龙格-库塔法
  • 原理:
    • 本质:构造y(xn+1)=y(xn)+hy(ξ)y(x_{n+1})=y(x_n)+hy'(ξ)y(ξ)y'(ξ)的近似替代。
    • 方法:构造导数近似值,利用 Taylor 公式分析局部截断误差,求出导数近似值对应的参数的值。
  • 一阶:比如用y(xn)y'(x_n)的近似值替代y(ξ)y'(ξ)
  • 二阶:用xnx_nxn+1x_{n+1}两点上的导数近似值的平均替代y(ξ)y'(ξ)
    • 改进的尤拉法:λ=12,p=1\lambda =\frac 12,\, p=1
    • 变型的尤拉法(中点方法):λ=1,p=12\lambda =1,\, p=\frac 12
    • ☆构造:λp=12\lambda p=\frac 12

f(n)={yn+1=yn+h((1λ)k1+λk2)k1=f(xn,yn)k2=f(xn+ph,yn+phk1)f(n)= \begin{cases} y_{n+1}=y_n+h((1-\lambda )k_1+\lambda k_2) \\k_1=f(x_n,y_n) \\ k_2=f(x_n+ph,y_n+phk_1) \end{cases}

  • 三阶:举例。

f(n)={yn+1=yn+16(k1+4k2+k3)k1=hf(xn,yn)k2=hf(xn+12h,yn+12k1)k3=hf(xn+h,ynk1+2k2)f(n)= \begin{cases} y_{n+1}=y_n+\frac16(k_1+4k_2+k_3) \\k_1=hf(x_n,y_n) \\ k_2=hf(x_n+\frac 12h,y_n+\frac 12k_1) \\k_3=hf(x_n+h,y_n-k_1+2k_2) \end{cases}

  • ☆四阶:

    • Gill 公式。

    • 经典公式(标准 4 阶龙格-库塔公式):

f(n)={yn+1=yn+16(k1+2k2+2k3+k4)k1=hf(xn,yn)k2=hf(xn+12h,yn+12k1)k3=hf(xn+12h,yn+12k2)k4=hf(xn+h,yn+k3) f(n)= \begin{cases} y_{n+1}=y_n+\frac16(k_1+2k_2+2k_3+k_4) \\k_1=hf(x_n,y_n) \\ k_2=hf(x_n+\frac 12h,y_n+\frac 12k_1) \\k_3=hf(x_n+\frac 12h,y_n+\frac 12k_2)\\k_4=hf(x_n+h,y_n+k_3) \end{cases}

  • 性质:适用于求解范围大、精确度要求高的较光滑曲线求解。

  • 变步长:

    • 计算结果的偏差=12p1yn+1(h/2)yn+1(h)△=\frac 1{2^p-1}|y_{n+1}^{(h/2)}-y_{n+1}^{(h)}|
    • 在满足精度的要求下,步长尽量取大。

重点应用

解初值问题

  • 不是算公式,是计算离散点
  • 计算时先把预报的值求出来,而不是直接把公式代入预报的公式。

求解计算公式的精度

  • 主要是用泰勒公式,重点步骤(偏导和导数的关系):

fx(xn,yn)+fy(xn,yn)y(xn)=y(xn)f'_x(x_n,y_n)+f'_y(x_n,y_n)y'(x_n)=y''(x_n)

证明收敛性、稳定性

  • 收敛性:证明满足 Lipschitz 条件;
  • 稳定性:证明扰动可控。
    • 假设一个扰动;
    • 计算这个扰动在递推后得到的下一个扰动值;
    • 令递推之后扰动的传播系数不超过 1,得到稳定性条件;

仅在选择、判断中出现的

  • 数值解法:能算出精确解 y(x)在一系列离散节点上的近似解的方法。
  • 二步尤拉法的缺陷:①计算局部截断误差时的附加限制条件不一定成立;②h 足够小时,精度越高才能保证局部截断误差越小。

Summary_page_4




方程求根

基本概念

  • m 重根:f(x)=(xx)mg(x),g(x)0(x-x^*)^mg(x),g(x^*)\neq 0
  • 隔根区间:区间内只有一个根的区间。
  • 有根区间:区间内有根的区间。
  • 局部收敛性:如果存在领域△:xxδ|x-x^*|\leq \delta,迭代过程对于任意初值x0x_0\in △均收敛,则这种在根的邻近具有收敛性的收敛性称为局部收敛性。若φ(x)\varphi (x)x=φ(x)x=\varphi (x)的根xx^*邻近有连续的一阶导数,且φ(x)k<1|\varphi '(x)\leq k <1|,k 越小收敛得越快。
  • 迭代速度(收敛速度):迭代误差εk=xkx(k=0,1,)\varepsilon _k =x_k -x^* (k=0,1,···),对某个实数 p 与非零常数 C,有limkεk+1εkp=C,C0lim_{k→∞}\frac{\varepsilon _{k+1}}{\varepsilon ^p_k}=C,C\neq 0,则称{xk_k}是 p 阶收敛的,p=1 则是线性收敛,p>1 是超线性收敛,p=2 是平方收敛。p 越大,收敛越快。

逐步搜索法

  • 预定步长,按一定顺序看每一步上的导数值,直到确定根区间或遍历结束。

二分法

  • 逐步搜索法的改进,只能求出一个根。二分看导数值。
  • 适用于:一个边界异号的有根区间。
  • ☆误差估计:xxk12k+1(ba),k=1,2,|x^*-x_k|\leq \frac {1}{2^{k+1}}(b-a),k=1,2,···

迭代法(逐步逼近的方法)

  • 原理:将f(x)=0f(x)=0转换成x=φ(x)x=\varphi(x),如果φ(x)\varphi(x)是收敛的,迭代结果是方程的根。

  • 收敛性定理:设φ(x)\varphi (x)在[a,b]上具有连续一阶导,且φ(x)[a,b]\varphi (x)\in [a,b],存在正数 L<1,使对任意x[a,b]x\in [a,b],有φ(x)L<1|\varphi '(x)|\leq L<1,则唯一解,而且对任意x0x_0序列收敛。

  • ☆误差估计:xxkLk1Lx1x0,k=1,2,|x^*-x_k|\leq \frac {L^k}{1-L}|x_1-x_0|,k=1,2,···

  • 收敛过程加速的原理:估计迭代结果的误差,并将误差估计加至迭代式中,则可能产生一个更好的求根迭代式。如 Aitken 加速,用了两次迭代改进。

  • 牛顿法(又称切线法):迭代函数根据导数变化。

    • 构造:x=xf(x)f(x),(f(x)0)x=x-\frac{f(x)}{f'(x)},(f'(x)\neq 0).
    • 局部收敛性:若xx^*是方程 f(x)=0 的一个单根,并且 f(x)在xx^*即附近有连续的二阶导数,则牛顿法具有局部收敛性。
    • ☆收敛速度:若二阶导f(x)0f''(x)\neq 0,则平方收敛;
    • 局限性:初值需要选取与根相近的。要保证ε1<ε0|\varepsilon _1|<|\varepsilon _0|
  • 牛顿下山法:改进的牛顿法。

    • ☆构造:xn+1=xnλnf(xn)f(xn),0<λn<1,λx_{n+1}=x_n-\lambda_n\frac{f(x_n)}{f'(x_n)},0<\lambda _n <1,\lambda是下山因子。
    • ☆下山条件:f(xk+1)<f(xk)|f(x_{k+1})|<|f(x_k)|,令λ\lambda不断减半直到满足单调性条件。

重点应用

  • 二分法求根并分析误差
  • 证明迭代法的收敛性和收敛速度
  • 对牛顿法进行误差分析

Summary_page_5