9907

Применение интерполяционных формул Ньютона при решении химико-технологических задач

Практическая работа

Физика

Применение интерполяционных формул Ньютона при решении химико-технологических задач. Цель работы. Располагая таблицей данных, полученных в результате некоторого химического или технологического эксперимента, научиться выполнять интерполя...

Русский

2013-03-18

309 KB

18 чел.

Применение интерполяционных формул Ньютона

при решении химико-технологических задач.

Цель работы . Располагая таблицей данных, полученных в результате некоторого химического или технологического эксперимента, научиться  выполнять интерполяцию, т.е. находить  любые промежуточные значения внутри таблицы, а также  выполнять экстраполяцию - находить значения неизвестной функции за пределами этой таблицы.

Теоретические положения. Пусть неизвестная функция   задана на  сетке равноотстоящих узлов   ,  где    своими значениями    (табличная или сеточная функция)

:                Таблица 1                                                                             (1)

X

…..

Y

…..

 

 На практике часто требуется найти промежуточные значения   , для   , находящихся между узлами   отрезка   . Для решения этой задачи  в численных методах обычно заменяют  другой функцией   , близкой к ней  и позволяющей выполнять над нею те или иные аналитические или вычислительные операции. Если положить  , то приходим к задаче  интерполирования (интерполяции).  Совершенно очевидно, что графиков   , проходящих через заданные точки   , можно изобразить сколь угодно много. Вопрос состоит в том, чтобы придать интерполяционной формуле   наиболее простой вид, подобный, например,  широко используемой формуле Тейлора.

Если для сеточной функции построена таблица конечных разностей                , то для интерполирования  в начале таблицы 1, для которого количество разностей максимально, удобно пользоваться первой интерполяционной формулой Ньютона:

,  (2)

где новая переменная   ,   - шаг таблицы 1, а   -  горизонтальная строка таблицы разностей. Формула (2) обычно применяется при значениях   , а именно  для интерполирования вперед  (при , т.е. при  ) и  экстраполирования  назад ( при   , т.е. при   ).     

Если требуется искать промежуточные значения функции в конце таблицы 1, то в этих случаях более эффективной является вторая интерполяционная формула Ньютона:

,           (3)

где   , а   - диагональная строка таблицы разностей.

Формулу (3) целесообразно использовать при значениях , т.е. в окресности узла    для интерполирования назад (при  , т.е. при  )  и  экстраполирования вперед  (при   , т.е. при   ).

Порядок выполнения работы.  

- получить от преподавателя вариант химического или технологического процесса  в виде таблицы  (1), а также два значения аргумента, для которых следует вычислить величины неизвестной нам функции,

- составить в  Excel  таблицу разностей,

- выписать первую интерполяционную формулу Ньютона (2),

- найти величину вспомогательной переменной  t для интерполирования,

- подставить в (2) данные из таблицы горизонтальных разностей, величину t, исходные данные  и выполнить вычисления (все результаты подстановок привести в РГР),

- выписать вторую интерполяционную формулу Ньютона (3),  

- найти величину вспомогательной переменной  t для экстраполирования,

- подставить в (3) данные из таблицы диагональных разностей, величину t, исходные данные  и выполнить вычисления (все результаты подстановок привести в РГР),

- определить относительные погрешности отдельно для интерполирования и экстраполирования,

- сделать выводы по работе.

Варианты исходных данных.  Результаты экспериментов представлены в виде таблиц     :

1

x

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

y

0.2

0.25

0.26

0.21

0.14

0.07

0

-0.07

-0.13

-0.17

-0.21

   

2

X

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Y

0.12

0.17

0.19

0.18

0.17

0.13

0.06

-0.02

-0.07

-0.12

-0.17

3

X

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Y

0.03

0.07

0.11

0.14

0.16

0.17

0.16

0.14

0.09

0.03

-0.06

4

X

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Y

-0.03

0.12

0.21

0.27

0.31

0.32

0.31

0.28

0.23

0.16

0.10

5

x

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

y

-0.13

-0.03

0.03

0.06

0.08

0.07

0.06

0.03

-0.04

-0.17

-0.32

6

x

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

y

-0.03

-0.14

-0.18

-0.17

-0.15

-0.08

0.01

0.14

0.26

0.33

0.38

7

x

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Y

0.04

-0.07

-0.10

-0.09

-0.04

0.04

0.13

0.19

0.24

0.28

0.30

8

x

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

y

0.14

0.06

0

-0.04

-0.06

-0.05

-0.03

0.03

0.08

0.16

0.24

9

X

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Y

0.09

-0.01

-0.08

-0.13

-0.17

-0.16

-0.12

-0.04

0.03

0.09

0.14

10

X

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Y

0.26

0.11

0.08

0.02

-0.04

-0.08

-0.10

-0.11

-0.09

-0.04

0.04

11

X

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Y

-0.03

-0.10

-0.14

-0.15

-0.13

-0.08

-0.01

0.07

0.14

0.19

0.23

12

X

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Y

-0.09

-0.10

-0.11

-0.08

-0.05

-0.01

0.04

0.08

0.11

0.12

0.11

13

x

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

y

-0.16

-0.13

-0.07

-0.01

0.04

0.06

0.07

0.05

0.02

-0.03

-0.09

14

X

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Y

-0.23

-0.17

-0.09

-0.02

0.06

0.11

0.14

0.12

0.04

-0.08

-0.19

15

X

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Y

0.09

0.03

0

-0.01

-0.02

-0.03

-0.06

-0.08

-0.11

-0.16

-0.22

16

X

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

y

0.12

0.14

0.13

0.09

0.04

-0.04

-0.09

-0.10

-0.07

0.01

0.11

17

x

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

y

-0.16

-0.05

0.02

0.08

0.12

0.13

0.12

0.09

0.07

0.02

-0.03

18

x

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

y

-0.08

0.01

0.04

0.07

0.08

0.07

0.06

0.03

-0.01

-0.04

-0.09

19

x

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

y

-0.03

0.06

0.11

0.13

0.12

0.08

0.02

-0.08

-0.14

-0.18

-0.20

20

x

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

y

0.03

0.12

0.18

0.21

0.20

0.17

0.11

0.01

-0.12

-0.22

-0.27

21

x

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

y

0.14

0.08

-0.01

-0.09

-0.11

-0.09

-0.04

0.01

0.07

0.11

0.14

22

x

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

y

0.08

0.07

0.04

0.01

-0.05

-0.11

-0.12

-0.08

-0.02

0.04

0.09

23

x

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

y

-0.10

-0.03

0.04

0.09

0.12

0.13

0.11

0.08

0.06

0.04

0.03

24

x

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

y

-0.18

-0.09

-0.01

0.07

0.13

0.17

0.20

0.19

0.16

0.12

0.03

25

x

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

y

-0.03

0.03

0.06

0.07

0.06

0.05

0.01

-0.05

-0.11

-0.15

-0.18

26

x

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

y

0.19

0.16

0.08

-0.03

-0.09

-0.12

-0.07

0.01

0.09

0.17

0.21

27

x

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

y

0.12

0.04

-0.09

-0.20

-0.24

-0.23

-0.18

-0.11

-0.03

0.03

0.11

28

x

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

y

0.06

0.01

-0.07

-0.14

-0.18

-0.20

-0.19

-0.17

-0.12

-0.04

0.03

29

x

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

y

0.07

0.12

0.15

0.16

0.14

0.12

0.07

0.03

-0.02

-0.06

-0.08

30

x

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

y

0.14

0.13

0.12

0.11

0.06

0

-0.05

-0.09

-0.12

-0.13

-0.14

Найти значения функции    в точках    и    , используя первую и вторую интерполяционные формулы Ньютона.

1

0.12

1.08

16

0.12

1.08

2

0.13

1.07

17

0.13

1.07

3

0.14

1.06

18

0.14

1.06

4

0.15

1.05

19

0.15

1.05

5

0.16

1.04

20

0.16

1.04

6

0.17

1.03

21

0.12

1.08

7

0.18

1.02

22

0.18

1.02

8

0.22

1.08

23

0.17

1.03

9

0.23

1.07

24

0.28

1.02

10

0.24

1.06

25

0.24

1.06

11

0.25

1.05

26

0.23

1.07

12

0.26

1.04

27

0.22

1.08

13

0.27

1.03

28

0.25

1.05

14

0.28

1.02

29

0.26

1.04

15

0.08

1.02

30

0.27

1.03

Пример расчета.         

  1.  Цель работы.   

На основании данных, полученных в результате  сложного химического эксперимента, найти два интересующих нас недостающих значения: одно – в начале таблицы, а другое – за ее пределами, т.е. попытаться предсказать поведение процесса, не выполняя его.

  1.  Исходные данные.

Химический процесс задан следующей табличной функцией    , где   х є [0;1]:

Х

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

У

-0,08

-0,05

0

0,08

0,16

0,21

0,23

0,21

0,16

0,09

0

Требуется вычислить с помощью интерполяционных формул Ньютона значения  у(x)  в точках   х = 0.22 и   х = 1.05,  и посчитать относительные ошибки  вычислений -  δ.

  1.  Таблица разностей.

Составим  в Excel таблицу разностей для  х є [0;1]  с шагом  h = 0.1  и точностью  ε = 10-2.

В расчетах конечных разностей n-ого порядка (или n-ой конечной разности) используется следующая формула:

Х

y

∆y

2y

3y

4y

5y

6y

7y

8y

9y

10y

0

-0,08

0,03

0,02

0,01

-0,04

0,04

-0,01

-0,06

0,20

-0,46

0,90

0,1

-0,05

0,05

0,03

-0,03

0

0,03

-0,07

0,14

-0,26

0,44

0,2

0

0,08

0

-0,03

0,03

-0,04

0,07

-0,12

0,18

0,3

0,08

0,08

-0,03

0

-0,01

0,03

-0,05

0,06

0,4

0,16

0,05

-0,03

-0,01

0,02

-0,02

0

0,5

0,21

0,02

-0,04

0,01

0

-0,01

0,6

0,23

-0,02

-0,03

0,01

-0,01

0,7

0,21

-0,05

-0,02

0

0,8

0,16

-0,07

-0,02

0,9

0,09

-0,09

1,0

0

  1.  Первый интерполяционный полином Ньютона.

Для расчета значения функции у(х) в точке х = 0.22 применим I интерполяционную формулу   Ньютона, которая удобна при интерполировании функции вперед от начала таблицы:

 где

x – неизвестная величина;

х0 – узел;

Подставляя разности,  у0   и   t  в формулу,  найдем   у(0.22) = N(0.22):

у(0.22) = 0,013

  1.  Второй интерполяционный полином Ньютона.

Для расчета значения функции у(х) в точке х = 1.05 применим II интерполяционную формулу Ньютона, которая удобна при интерполировании функции вблизи конца таблицы (в нашем случае – это экстраполирование):

 где  

х  – неизвестная величина;

хn – узел;

Подставляя численные значения в формулу, найдем     у(1.05) = N(1.05):

у(1.05) = -0.045

  1.  Определим относительные погрешности   δ,%.

,

где у – точка на графике;

N(x) – значение функции, вычисленное по формуле Ньютона;

  1.     Относительная погрешность при интерполировании:

N(0.22) = 0.013

y(0.22) = 0,015

 δ(0.22) = 15.38%

  1.  Относительная погрешность при экстраполировании:

N(1.05) = -0.045

y(1.05) = -0.045

δ = 0%

7. Выводы по работе.

PAGE  1


EMBED Mathcad  

EMBED Mathcad  

EMBED Mathcad  

EMBED Mathcad  

EMBED Mathcad  

EMBED Mathcad  

EMBED Mathcad  

EMBED Mathcad  

EMBED Mathcad  

EMBED Mathcad  

EMBED Mathcad  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

74998. Дед Мороз и Санта Клаус. Выполнение работы в технике оригами 37.5 KB
  Цель: ознакомить учащихся с традициями новогодних и рождественских праздников ;совершенствовать умения изготавливать изделия из бумаги в технике оригами; развивать внимание, память, логическое мышление; воспитывать аккуратность, терпение, интерес к работе.
74999. Українська народна іграшка. Лялька-мотанка 41.5 KB
  Мета. Ознайомлення учнів з історією виникнення ляльки, різновидами матеріалів, з яких виготовляли, сформувати уявлення про способи виготовлення, стимулювати розвиток ініціативності, самостійності, сприяння розвитку творчої активності, навичок самоосвітньої діяльності...
75000. У дзеркалі слова. На все впливає мови чистота… 81.5 KB
  Олеся: Є слова що білібілі Як конвалії квітки Лагідні як усміх ранку Ніжносяйні як зірки. Є слова як жар пекучі І отруйні наче чад. Про які слова мовить поет у перших 4х рядках Якими словами ви можете замінити означення білібілі лагідні ніжносяйні Чи знаєте ви такі слова покаже гра.
75001. Мова - коштовний скарб народу 55.5 KB
  Мова коштовний скарб народу Мета: виховувати любов до рідного слова вчити бачити красу рідної мови познайомити з найголовнішими етапами розвитку рідної мови розвивати виразність декламування поезії збагачувати й активізува ти словниковий запас учнів...
75002. Наше диво, калинове, кохана українська мово. Літературн-омузичне свято до Дня української мови й й писемності 71 KB
  Мова кожного народу – Неповторна і своя В ній гримлять громи в негоду В тиші трелі соловя. Берегти її плекати Буду всюди й повсякчас Бо ж єдина такяк мати Мова в кожного із нас В. Ведуча Скарбе мій єдиний Ведучий Це сьогодні на твою честь ми проводимо свято НАШЕ ДИВО КАЛИНОВЕ КОХАНА УКРАЇНСЬКА МОВО Виконання...
75003. Сценарій свята до Дня української писемності та мови 88 KB
  Найбільше і найдорожче добро в кожного народу це його мова ота жива схованка живого духу його багата скарбниця в яку народ складає і своє давнє життя і свої сподівання розум досвід почування. Українська мова в багатстві витонченості й гнучкості не поступається ані жодній із сучасних літературних мов слов’янства. З епохи Київської Русі можна говорити й про українську літературну мову та жива розмовна мова українського народу набагато давніша.
75004. Мова моя українська. Методична розробка виховного заходу для старшокласників 85.5 KB
  Мова це великий дар природи. І серед них – ніби запашна квітка в чудовому букеті – українська мова. У рідному домі завжди звучить найближча найзрозуміліша рідна мова бо бринить вона із ласкавих бабусиних вуст із дідусевої говірки із маминої пісні із батьківського слова часом суворого а часом жартівливого. Наша мова – українська тому що наша земля – Україна.
75005. Мова наша солов’їна, виховний захід 58 KB
  Показати дітям красу і багатство української мови за допомогою народної творчості, творів письменників і поетів. Викликати бажання вивчати рідну мову, милуватися її красою Виховувати любов до рідної мови, до своєї землі, свого народу.