18525

Анализ многошаговой формулы интегрирования Метод простых итераций. Метод ускоренных итераций Итерации Ньютона-Рафсона

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

Лекция 5 Анализ многошаговой формулы интегрирования Метод простых итераций. Метод ускоренных итераций Итерации НьютонаРафсона. Обратные итерации При неявных методах интегрирования ОДУ возникают нелинейные алгебраические уравнения. Возвратимся к общему виду лине...

Русский

2013-07-08

108.5 KB

6 чел.

Лекция 5

Анализ многошаговой формулы интегрирования Метод простых итераций. Метод ускоренных итераций Итерации Ньютона-Рафсона. Обратные итерации

При неявных методах интегрирования ОДУ возникают нелинейные алгебраические уравнения. Возвратимся к общему виду линейного многошагового метода. Проанализируем сходимость решения нелинейных алгебраических уравнений.

Требуется решить неявное уравнение:

                        (1)

т.к.  член под знаком суммы известен, то заменим его на wn, тогда  выражение (1) принимает вид:

                                           (2)

Необходимо определить . Рассмотрим некоторые варианты решения.

  1.  Метод простых итераций (метод Якоби).

Формула метода простых итераций

                                        (3)

Пусть x* - точное решение (2), тогда

                                        (4)

 Вычитая, получим

                                         (5)

  

Используя теорему о среднем, получим:

                                   (6)

где  

По условию Липшица  тогда

                                      (7)

      По индукции

                                 (6)  

Принимая во внимание теорему о единственности решения, необходимое и достаточное решение о сходимости итерационного процесса Якоби имеет вид:

                                                             (7)

   

Т.к. L £ | lmax|, наибольшее собственное значение матрицы -.                                                                                                                 

Если условие удовлетворено, то итерации Якоби сходятся к единственному решению.

                                                                (8)

Для быстрой сходимости необходимо потребовать :

                                                           (9)

Границы зависят от h, если | lmax | велико, то h должно быть очень мало. Для определения условия окончания итераций рассмотрим случай одного уравнения:

  1.  Метод ускоренных итераций

Метод ускоренных итераций – модификация метода итераций Якоби

                           (10)

где a - параметр ускорения.

Если a=0, то получаем простые итерации.

Условие сходимости введем тем же путем.

Точное решение

                        (11)

Вычитая (11) из (10) и пользуясь теоремой о среднем, получаем:

                       (12)                                             

Условие сходимости

 

  или      ,                    (13)

здесь I – единичная матрица.

3. Итерационный метод Ньютона-Рафсона.

Метод описывается формулой

                   (14)

где An+1(s) – матрица Якоби f `x, оцененная в точке x(tn), однократное применение итерации соответствует решению параметризованной формы. Найдем условие сходимости.

Следуя вышеприведенной последовательности действий, получим:

               (15)

Применение (14) является неэффективной процедурой: необходимо вычислить  на каждой итерации.

4. Обратные итерации.

Рассмотренные выше методы можно отнести к прямым итерациям, т.к. они проходят следующим путем: берем приближение, подставляем в правую часть рекуррентного выражения, затем вычисляем новое приближение и подставляем в правую часть и т.д.

Аналогично можно сформировать уравнения с обратными итерациями в виде:

                                            (16)

которые требуют решения неявных уравнений.

Следуя обычной процедуре, запишем:

Условие сходимости:

    или             –  нижняя граница на h.

Краткие выводы:

Итерации Якоби и ускоренные итерации легко реализуются, но сходимость зависит от максимального собственного значения матрицы Якоби. Если |lmax | велико, то шаг мал.

Условиям сходимости метода Ньютона посвящено много литературы. Итерации Ньютона имеют большую область сходимости, чем простые и ускоренные. Зато обратные итерации имеют громадную область сходимости из-за наличия нелинейной границы на h, но существует проблема решения неявных уравнений.

     Рекомендации:

Если число обусловленности меньше 10, рекомендуется применять простые или ускоренные итерации, иначе использовать итерационный метод Ньютона или методы обратных итераций с выбором шага на основе желаемого числа итераций на шаг. Оптимальное число итераций в корректирующей формуле  – 2.

    1. Если корректирующая формула в методе не итерируется, то устойчивость метода зависит как от предсказывающих, так и от корректирующих формул.

    2. Если корректирующая формула итерируется, то нет уверенности, что устойчивость зависит от корректирующей формулы.

 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81740. Образ Петербурга в романе Ф. Достоевского «Преступление и наказание» 31.29 KB
  В романе мы открываем Петербург мрачный, давящий на душу. Город, где во дворы-колодцы никогда не заглядывает солнце. Это Петербург бедных людей, которых заставляет вечно дрожать нужда и пронизывающий ветер с моря. Это город Достоевского.
81741. Письма героев как средства их характеристики в произведениях отечественной литературы 32.51 KB
  А Пушкин Евгений Онегин Письмо Татьяны Онегину Третья глава Онегин сталкивается с внутренней природной стихией человеческого сердца любовью. и первый поступок ее любви письмо составляют центр главы. еще подняться не может даже тогда когда получает письмо влюбленной Т. решила написать письмо О.
81742. Лирика М.Цветаевой. Основные темы, идеи, художественное мастерство. Чтение наизусть и разбор одного стихотворения 38.65 KB
  В своем первом альбоме юная Цветаева отличалась тем-что ничего не выдумывала и никому не подражала. Но как поэт и как личность Цветаева развивалась стремительно. Зимой 1915-1916 годов Цветаева жилав Петербурге после возвращения домой она стала писать по-иному чем прежде и в этом была некоторая закономерность. Обделенная в детстве сказкой не имевшая няни Цветаева жадно наверстывала упущенное.
81743. Личность и история в романе Л. Н. Толстого « Война и мир». Кутузов и Наполеон как два нравственных полюса романа 30.19 KB
  Он утверждал что существуют история наука и история искусство и что они имеют свои четко различающиеся задачи. История-наука как полагал Т уделяет главное внимание частностям подробностям событий и ограничивается их внешним описанием в то время как история-искусство схватывает общий ход событий проникая в глубины их внутреннего смысла.
81744. Образ Петербурга в произведениях отечественной классики 19 века 32.16 KB
  Со времени образования Петром I Петербурга в 1703 году этому городу стали посвящаться многие произведения классиков русской литературы таких как Радищев но наиболее полно образ этого города был раскрыт в творчестве двух великих писателей: Александра Сергеевича Пушкина и Николая Васильевича Гоголя. Петербург в произведениях Пушкина это прежде всего торжественный парадный город олицетворение государства его силы и могущества. Восхищение городом перед которым померкла старая Москва звучит в каждой строчке вступления поэмы. Например в...
81745. Духовный облик любимых героев Л. Толстого в романе «Война и мир». Разнообразие средств психологической обрисовки героев в произведении 31.93 KB
  Выражая мнение народное писатель страстно осуждает несправедливые захватнические войны и славит героев священной освободительной войны ведя которую народ отстаивает национальную независимость своей родины. Отвергая трактовку Отечественной войны 1812 г как войны Наполеона 1 и Александра I Т. Эти утверждения о некоем фатальном законе определяющем судьбы отдельных людей и народов автор в сущности сводит на нет показывая как дубина народной войны действовавшая с простотой и целесообразностью привела к победе над наполеоновским...
81746. Образ матери и трагедия народа в поэме А. Ахматова «Реквием». Своеобразие композиции поэмы 33.67 KB
  Своеобразие композиции поэмы. Первый смысловой пласт поэмы автобиографичен. Это четвертый пласт поэмы героиня выступает здесь как новая богородица. Окончательно стихи поэмы были скомпанованы в единое произведение лишь осенью 1962 г.
81747. Тип «гордого человека» и его воплощение в произведениях отечественной литературы 32.54 KB
  Макар Чудра упрекает людей за их рабскую психологию. Суть наказания отторжение от людей. Но не только боль за несчастных темных людей превратила обычного человека в подвижника. Смысл деяний Данко установление нового порядка новых законов бытия среди людей.
81748. Автор и главный герой поэмы А. Т. Твардовского «Василий Теркин». Роль фольклорных мотивов в поэме 41.54 KB
  Твардовского Василий Теркин. Вместе с тем Твардовский следовал своему намерению побольше самого себя в поэме: лирическое начало в Теркине расширилось по сравнению со Страной Муравией стало многогранным обогатило эпические традиции которые попрежнему сильно ощутимы в поэме но проявляются иначе чем прежде. Достоверность картин жизни поэт подчеркнул и тем что назвал Василия Теркина не поэмой или эпопеей а книгой про бойца. Кроме массы бойцов плотно населяющих поэму обрисованных лаконично но остро выразительно в Василии...