Реферат по предмету "Математика"


Итерациональные методы решения нелинейных уравнений

--PAGE_BREAK--§5.2. Конечные разности. Обобщенная степень.


Пусть задана функция . Обозначим через  фиксированную величину приращения аргумента (шаг). Тогда выражение

                        (5.3)

называется первой конечной разностью функции . Аналогично определяются конечные разности высших порядков

Например:

   (5.4)

Символ  (дельта) можно рассматривать как оператор, ставящий в соответствие функции  функцию .

Легко проверить основные свойства оператора :

1) ;

2) ;

3) , где  (целые неотрицательные числа), причем .

Из формулы (5.3) имеем:

.

Отсюда, рассматривая  как символический множитель, получим:

.                               (5.5)

Из формулы (5.4):

;                    (5.6)

и т.д. Окончательно получим:

.                           (5.7)

В дальнейшем нам понадобится понятие обобщенной степени.

Определение.

Обобщенной -степенью числа  называется произведение  сомножителей, первый из которых равен , а каждый следующий на  меньше предыдущего:

,                 (5.8)

где .

Полагают, что . При  обобщенная степень совпадает с обычной: .

Вычислим конечные разности для обобщенной степени, полагая . Для первой конечной разности имеем:



то есть

.                                      (5.9)

Для второй конечной разности:

,

то есть

.                              (5.10)

Аналогично,

,

и так далее.

Окончательно будем иметь:

,                    (5.11)

, если .                                                        (5.12)
§5.3. Первая интерполяционная формула Ньютона.
Пусть для функции  заданы значения  для равноотстоящих значений независимой переменной , где   — шаг интерполяции. Требуется подобрать полином  степени не выше , принимающий в точках  значения

.                                          (5.13)

Условия (5.13) эквивалентны тому, что

.                              (5.14)

Будем искать полином в виде

.                            (5.15)

Используя понятие обобщенной степени, запишем выражение (5.15) в виде:

.      (5.16)

Чтобы полином был определен, нужно найти коэффициенты . Полагая  в выражении (5.16), получим

.                                         (5.17)

Чтобы найти коэффициент , составим первую конечную разность:

.

Полагая , получим:

,

откуда

.                                              (5.18)

Для определения коэффициента  составим вторую конечную разность:

.

Положив , получим:

,

откуда

.                                            (5.19)

Продолжая процесс, получим:

,                               (5.20)

причем .

Подставляя найденные значения коэффициентов  в выражение (5.16), получим интерполяционный полином Ньютона:

.   (5.21)

Этот полином полностью удовлетворяет требованиям поставленной задачи. Действительно, степень полинома  не выше ; ;



Для практического использования первую интерполяционную формулу Ньютона записывают в несколько преобразованном виде. Для этого введем новую переменную

.                                                 (5.22)

Тогда

      (5.23)

Подставляя (5.23) в (5.21), получим окончательный вид первой интерполяционной формулы Ньютона:

.   (5.24)

Если в формуле (5.24) положить , то получим формулу линейного интерполирования:

.                                        (5.25)

При  получим формулу параболического или квадратичного интерполирования:

.                        (5.26)

Первую интерполяционную формулу Ньютона используют для интерполирования функции в окрестности начальной точки , где  мало по абсолютной величине и представляет собой число шагов, необходимых для достижения точки , исходя из точки .

Остаточный член первой интерполяционной формулы Ньютона:

,                         (5.27)

где   — некоторое промежуточное значение между узлами интерполирования  и рассматриваемой точкой .

Учитывая, что , приближенно можно положить:

.

В этом случае соотношение (5.27) примет вид:

.                       (5.28)
§5.4. Вторая интерполяционная формула Ньютона.
Вторая интерполяционная формула Ньютона применяется для интерполирования в окрестности конечного значения .

Пусть для функции  заданы значения  для равноотстоящих значений независимой переменной . Построим полином следующего вида:

             (5.29)

Используя обобщенную степень, получим:

.    (5.30)

Найдем коэффициенты  из условий . Эти условия равносильны

.                             (5.31)

Полагая  в выражении (5.30), получим

.                                         (5.32)

Чтобы найти коэффициент , составим первую конечную разность:

.

Полагая , получим:

.

Отсюда

.                                           (5.33)

Из второй конечной разности



при  находим:

.

Следовательно,

.                                        (5.34)

Продолжая дальнейшее вычисление конечных разностей, получим:

.                            (5.35)

Подставляя найденные значения коэффициентов  в выражение (5.29), получим вторую интерполяционную формулу Ньютона:

           (5.36)

Введем новую переменную

,                                                 (5.37)

тогда

                        (5.38)

С учетом (5.38) вторая интерполяционная формула Ньютона примет вид:

.   (5.39)

Остаточный член второй интерполяционной формулы Ньютона:

, (5.40)

где   — промежуточное значение между узлами интерполирования  и точкой .


    продолжение
--PAGE_BREAK--§5.5. Интерполяционная формула Лагранжа.


Пусть на отрезке  задана произвольная система точек , в которых известны значения функции . То есть, задана следующая таблица

Таблица 5.1.























Установим зависимость  одного ряда чисел от другого и построим новую функцию, которая с определенной степенью точности будет приближена к заданной.

Построим многочлен  таким образом, чтобы его значения совпали со значениями функции, заданными в таблице, для тех же аргументов, то есть

.                                           (5.41)

Лагранж предложил строить многочлен -й степени в виде:

    (5.42)

Здесь в каждом слагаемом отсутствует скобка , которой соответствует коэффициент .

Найдем неизвестные коэффициенты , называемые коэффициентами Лагранжа, используя условие (5.41).

При : .

.

Следовательно, коэффициент  вычисляется по следующей формуле:

.

При : .

.

Следовательно, коэффициент  вычисляется по следующей формуле:

.

Таким образом, коэффициенты  вычисляются по формулам:

.

С учетом найденных коэффициентов интерполяционный полином Лагранжа запишется в виде

.                (5.43)

Для интерполяционной формулы Лагранжа справедлива оценка погрешности:

,           (5.44)

где .

Пример 5.1. По заданной системе точек

Таблица 5.2.



















построить интерполяционный многочлен Лагранжа второго порядка вида:

.

Коэффициенты этого многочлена будут вычислены по следующим формулам:

,

,

.

Тогда многочлен Лагранжа второго порядка будет иметь вид:



Учитывая, что таблица приведена для функции , вычисленной в узловых точках , сравним погрешность вычислений данной функции и построенного многочлена в контрольной точке :

 и .

Погрешность вычислений равна

.


Ниже приведены графики функции  и построенного полинома Лагранжа на заданном интервале. Из рисунка 5.1 видно, что многочлен второго порядка обеспечивает достаточно высокую точность построения синусоиды на заданном отрезке .

Рис.5.1.

Если таблица 5.1, для которой построена формула Лагранжа, задана для равноотстоящих узлов , то формула Лагранжа упрощается. Обозначим через . Тогда

,

,…,

.

С учетом введенных обозначений формула Лагранжа запишется так:



Запишем формулу Лагранжа в случае, если :



Получили формулу линейной интерполяции (5.25):

.

Здесь   — табличные разности первого порядка.

При  получаем формулу квадратичной интерполяции (5.26):

.

Здесь   — табличные разности второго порядка, и так далее. Продолжая этот процесс, окончательно получим:

.

Эта формула называется первой интерполяционной формулой Ньютона (сравните с формулой (5.24)). Для нее справедлива оценка остаточного члена (5.27) и (5.28).

Если обозначить через , то с учетом введенного обозначения, получим:

, …,

.

Тогда формула (5.43) примет вид:

.

Эта формула называется второй интерполяционной формулой Ньютона (сравните с формулой (5.39)). Для нее справедлива оценка остаточного члена (5.40).


    продолжение
--PAGE_BREAK--


Не сдавайте скачаную работу преподавателю!
Данный реферат Вы можете использовать для подготовки курсовых проектов.

Поделись с друзьями, за репост + 100 мильонов к студенческой карме :

Пишем реферат самостоятельно:
! Как писать рефераты
Практические рекомендации по написанию студенческих рефератов.
! План реферата Краткий список разделов, отражающий структура и порядок работы над будующим рефератом.
! Введение реферата Вводная часть работы, в которой отражается цель и обозначается список задач.
! Заключение реферата В заключении подводятся итоги, описывается была ли достигнута поставленная цель, каковы результаты.
! Оформление рефератов Методические рекомендации по грамотному оформлению работы по ГОСТ.

Читайте также:
Виды рефератов Какими бывают рефераты по своему назначению и структуре.