18524

Методы решения ММ БИС во временной области. (динамический анализ)

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

Лекция 4 Методы решения ММ БИС во временной области. динамический анализ Задача Коши Пусть t = ft 1 при условии xa=x0 при . Основное предположение относит...

Русский

2013-07-08

122.5 KB

1 чел.

Лекция  4

Методы решения ММ БИС во временной области.

(динамический анализ)

Задача Коши

Пусть               (t) = f(,t)                                                                                    (1)

при условии x(a)=x0 при .

Основное предположение относительно (1) состоит в том, что удовлетворяет условию Липшеца (в равномерной метрике)

   для всех  и для всех компонент векторов. При этом можно доказать единственность решения задачи.....

Задача интегрирования с начальными условиями носит название задачи Коши.

Для нахождения (t) численными методами интегрирования разделим интервал времени  [a,b] на небольшие приращения. Каждое приращение hк=Dtк называется величиной шага.

Цель численного интегрирования – нахождение  (t) для моментов времени

t1, t2, t3 , ... , tk , где ti+1 =  ti +  hi (hi - шаг интегрирования). Численный метод не позволяет найти точное решение, поэтому обозначим вычисленное значение при t=tk через k. Равенство k=|| (tk) – k|| называют локальной ошибкой при t=tk. Локальная ошибка состоит из двух компонент – методической ошибки и ошибки округления в предположение, что значение х на предыдущем шаге известно точно.

Методическую ошибку называют также алгоритмической, поскольку она зависит от вида численного алгоритма.

Как методическая, так и ошибка округления могут накапливаться с увеличением числа шагов. Поэтому для сравнения точности двух алгоритмов необходимо сравнивать их в одни и те же моменты времени tk при одном и том же начальном состоянии.

Локальная ошибка округления зависит от типа вычислительной машины, т.е. она не может быть уменьшена для данной машины, однако различные методы по разному влияют на ошибку округления. Важно помнить, что общая ошибка округления при t=tk  не равна сумме локальных ошибок округления, возникающих на каждом шаге.

Метод, обладающий свойством уменьшения ошибки округления при увеличении числа шагов, называется численно-устойчивым. В противном случае он численно-неустойчив.

Граница методической ошибки часто обозначается как «О», а сама методическая ошибка как м= О(hp) при h  0.

Таким образом, методическая ошибка стремится к 0 с такой же скоростью, как и hp. Методы классифицируются по критерию «порядок метода  p».

В качестве примера рассмотрим линейный многошаговый метод интегрирования, обобщенное выражение которого основано на представлении дифференциальных уравнений разностными уравнениями вида:

                                (2)

Данное уравнение получено на основе теоремы о среднем.

Теорема о среднем:

                                      (3)

Из общего выражения (2) можно получить формулу явного метода Эйлера (ЯМЭ), задав b0=0; k=1; a1=1; b1=1 .

При этом   - ЯМЭ.                                                               (4)

Подставив в выражение (2) b0=1;   k=1;   a1=1;   b1=0 получим формулу неявного метода Эйлера (НЯМЭ)                           (5)

Подставив в выражение (2) b0=b1=1/2; k=1; a1=1 получим формулу метода трапеций 

 (6)

Оценка локальной методической погрешности ЯМЭ и НЯМЭ

Разложим функцию в ряд Тейлора:

где  t < t < a   при  t < a;

       a< t < t   при  a < t.

Определим погрешность

                                                (7)

где первое слагаемое – это точное значение, а второе - приближенное. Будем считать, что на предыдущем шаге решение точное. Отсюда .

  

Получим формулу локальной методической ошибки для  явного метода Эйлера.

Заменив в формуле .  заменим на производную (см. формулу (1)), получим

xn+1 = xn + h                                                  (8)

    Поскольку при вычислении локальной методической ошибки значение переменной на предыдущем шаге задается точно, перейдем к следующей формуле

xn+1 = x(tn) + h .                                       (9)

Разложим функцию в ряд Тейлора в окрестности точки xn  с точностью до члена второго порядка малости

                                     (10)

где  tn < t < tn+1

      tn+1 – tn = h

Сравнивая выражения (9) и (10) с учетом формулы (7) получим локальную методическую ошибку

                                                   (11)

Заметим, что локальная методическая ошибка eМ довольно велика, поэтому для получения приемлемой точности с помощью явного метода Эйлера необходимо выбирать очень маленькую величину шага.

Аналогично выведем формулу локальной методической ошибки для неявного метода Эйлера.

                                                  (12)

Поскольку при вычислении локальной методической ошибки значение переменной на предыдущем шаге задается точным, перейдем к следующей формуле

                                                  (13)

Разложим функцию в ряд Тейлора в окрестности точки xn+1  с точностью до члена второго порядка малости:

                         (14)

tn < t < tn+1

Отсюда:

                                (15)

Следовательно

                                             (16)

Явный и неявный методы Эйлера можно классифицировать как методы Тэйлора первого порядка.  Локальная методическая ошибка определяется второй производной, следовательно, эти методы имеют низкую точность.

Для повышения точности методов необходимо интегрировать с малой величиной шага. Для оценки локальной методической погрешности требуется определить вторую производную.

Вторую производную можно вычислить, используя теорему о среднем (формула (3)).

Вычисление  второй  производной

Иллюстрируется рисунком 1

Рис. 1. Иллюстрация вычисления второй производной

Если  принять , то выражение для второй производной будет иметь вид:        

                                                  (17)             

Подставив формулу (17) в выражения для локальной методической ошибки ЯМЭ и НЯМЭ:  

      

получим следующее выражение:

                                              (18)

Управление величиной шага интегрирования

  1.  Пусть на n-ом шаге интегрирования величина шага - hn          
  2.  Определяем вектор локальной методической ошибки  Максимальная погрешность

3.   Если emax > eзаданное, то шаг отбрасываем и пытаемся проинтегрировать, уменьшив шаг в два раза

  4.   Если emax  eзаданное , то   hn+1  =   hn ,  если 0.25 eзаданное emax  eзаданное ,

                         hn+1 =   2hn, если   emax   <  0.25 eзаданное.   


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

23493. Стилистика художественной речи. Экстралингвистические характеристики художественного текста. Два контекста речи словесно-художественного произведения. Особенности языка художественной литературы 47 KB
  Ревзина Стилистика художественной речи Экстралингвистические характеристики художественного текста. Два контекста речи словеснохудожественного произведения. Контакт между внешним отправителем и читателем непрямой и осуществляется через текст; гдоминирующую функцию художественного текста определяют как эстетическую. системы средств художественного выражения В.
23494. Структуризация сетей 238 KB
  Типовые топологии небольших сетей обладают свойством однородности, то есть все компьютеры в такой сети имеют одинаковые права в отношении доступа к другим компьютерам. Такая однородность структуры делает простой процедуру наращивания числа компьютеров, облегчает обслуживание и эксплуатацию сети.
23495. Современный русский язык. Лексика. Фразеология 3.51 MB
  К славянским помимо восточнославянских относятся: южнославянские болгарский македонский сербохорватский словенский распространен в Словении частично в Австрии и Италии; западнославянские чешский словацкий польский лужицкий распространен в районах Дрездена и Котбуса.: Лингвистический энциклопедический словарь Гл. Свои слова есть у научных работников и тех кто готовится стать ими диссертабельный 'достойный быть темой диссертации' остепениться 'получить ученую степень защитив диссертацию' у проходящих и прошедших...
23496. Русский язык: Пособие для поступающих в вузы 2.92 MB
  При отборе материала особое внимание обращалось на вопросы которые представ ляют определенные трудности для учащихся в процессе обучения а также на ошибки во время вступительных экзаменов: подход к определению слова как части речи особенно в тех случаях когда слова совпадая по внешнему облику различаются грамматиче скими признаками; разграничение членов предложения формально не различающихся дополнение несогласованное определение; составное глагольное сказуемое обстоя тельство цели дополнение выраженное ин финитивом;...
23497. Современный русский язык: Учебник 3.16 MB
  Русский язык относится к группе славянских языков которые делятся на три подгруппы: восточную языки русский украинский белорусский; южную языки болгарский сербскохорватский словенский македонский; западную языки польский чешский словацкий кашубский лужицкий. Нормированность литературного языка заключается в том что состав словаря в нем регламентирован значение и употребление слов произношение правописание и образование грамматических форм слов подчиняются общепринятому образцу. Достаточно привести пример активного...
23498. Справочник по русскому языку. Пунктуация 968.01 KB
  Пунктуация РАЗДЕЛ 1 Знаки препинания в конце предложения и при перерыве речи 1. Точка ставится в конце законченного повествовательного предложения: Навстречу солнцу ползёт тёмная свинцовая громада. Точка не ставится в конце предложения после точки обозначающей сокращение слова: и др. отрезок находящаяся в начале предложения или текста и выраженная как правило формой именительного падежа существительного либо словосочетанием во главе с этой формой именительный темы или именительный представления называет лицо предмет явление...
23499. Встановлення радянської влади і насильницька трансформація традиційного життя села 171 KB
  Наступ на українське село у 1918 році, конфлікт інтересів та продовольча розкладка. Негативне ставлення до українського селянства, методи реалізації продрозкладки та репресивна політика проти незгодних. Проведення заходів для внесення розбрату і розшарування українського села
23500. Большая буква в рекламе не нуждается 53.5 KB
  Тем не менее именно эти малозначительные большие и маленькие буквы таят в себе крупную проблему. В немецком как известно с большой буквы пишутся все существительные в английском многие названия пишутся с использованием всех прописных компания SUITS или просто каждое слово кроме служебных в названии начинается с большой буквы British Banker`s Association. Естественно что всякому рекламодателю хочется чтобы за те же деньги буквы были как можно крупнее и выразительнее. Есть и другой считающийся убийственным аргумент: если мол мы...
23501. Русский язык: Новый русский язык 48.5 KB
  В Бобруйск жывотное Аффтар жжот Ржунимагу Фтему Фтопку эти выражения уже знакомы не только молодым бездельникам но и взрослым людям. Пруцца падонки такими словами написаны целые рассказы или криатиффы как их называют сами аффтары. Бегает этот дрищ па квартире ф трясках и сударагах какихта вечна мерзнет и ссыцца Под аффтарами свои каменты оставляли каментатары. Когда аффтаров стало очень много а интересных криатиффов мало камминтатары начали экономить время.