Вычислительная математика. Луппова Е.П - 4 стр.

UptoLike

7
ая, и ничего не известно о ее погреш-
, запишем два варианта формулы Тейлора
Но эта формула приближенн
ности.
Можно поступить иначе
)2(
!2
)2(
2
3
2
2
3
+
+
+=
+
Mh
h
yhyyy
iiii
3
Mhy +
улы, умножив предварительно вторую на -2,
полу
3
12
2
2 Mhyyyhy
iiii
++=
++
2
2
1
+
+
+=
+
+
Mh
h
yhyyy
iiii
8
δ
γ
β
α
++
+
=
++
+=
+++
+
+
+=
+++
+
+
+=
+
+
+
65)(4)(32
1
65)(4)(32
1
65)(4)(32
1
65)(4)(32
2
15
4
3
2
3
4
22
120
1
24
1
6
1
2
1
120
1
24
1
6
1
2
1
15
4
3
2
3
4
22
Mhhyhyhyhyhyyy
Mhhyhyhyhyhyyy
Mhhyhyhyhyhyyy
Mhhyhyhyhyhyyy
V
i
IV
iiiiii
V
i
IV
iiiiii
V
i
IV
iiiiii
V
i
IV
iiiiii
Умножим каждую из формул на соответствующий множитель α, β,
γ или δ и всё сложим. При этом подберем множители так, чтобы сла-
гаемые с y'
i
, y'''
i
, y
(IV)
i
сократились, т.е.
022:
=
+
δ
γ
β
α
i
y
0
3
4
6
1
6
1
3
4
: =+
δγβα
i
y
0
3
2
24
1
24
1
3
2
:
)(
=+++
δγβα
IV
i
y
Получилась система из 3-х линейных уравнений с 4-я неизвестны-
ми (значит одно из неизвестных можно выбрать произвольно).
(
)
(
)
()()
()()
+++
+
+
γβδα
γβδα
γβδα
16
8
2
Из первых двух уравнений αδ = 0 и βγ = 0 α = δ β = γ
16(2α) + (2β) = 0 β = -162 β = -162 γ = -162
δ = α
Выбираем α = 1, тогда β = -16, γ = -16, δ = 1.
Складываем все четыре уравнения, умноженные на соответствую-
щие коэффициенты
6
2
"
2112
12301616 Mhhyyyyy
iiiiii
+=+
++
4
2
2112
12
163016
Mh
h
yyyyy
y
iiiii
i
+
+
+
=
++
2
12
2 hyyy
iiii
+=
++
Сложим эти две форм
чается
Mh
yyy
y
iii
+
h
i
+
=
++ 12
2
1-ый порядок точности.
устраивает исследователя, то можно полу-
чить . Запишем два варианта формулы
Тейлора
2
Полученная формула имеет
Если этот результат не
более точную аппроксимацию
, формулы (1) и (2)
42
11
4
32
4
32
1
2
62
62
Mhhyyyy
Mh
h
y
h
y
Mh
h
y
h
yhyyy
iiii
ii
iiiii
+
+=+
+
+
+
+
+=
+
+
+
После сложения получается
1
hyyy
iii
+
=
2
2
11
2
Mh
h
yyy
y
iii
i
+
+
=
+
аппроксимационная форм ла 2-го по-
рядка. Можно получить еще более точную формулу
у
    Но эта формула приближенная, и ничего не известно о ее погреш-                                                 4             2                  4
ности.                                                                         yi + 2 = y i +2 yi′ ⋅ h + 2 yi′′⋅ h 2 +
                                                                                                                     yi′′′⋅ h3 + yi( IV ) ⋅ h 4 + yi(V ) ⋅ h5 + Mh6 ⋅ α
    Можно поступить иначе, запишем два варианта формулы Тейлора
                                                                                                                   3             3                 15
                                                                                                      1           1             1                    1 (V ) 5
                                                                               yi +1 = y i + yi′ ⋅ h + yi′′⋅ h 2 + yi′′′⋅ h3 +     yi( IV ) ⋅ h 4 +     yi ⋅ h + Mh6 ⋅ β
                                                                                                      2           6             24                  120
                              h2
yi +1 = yi + yi′ ⋅ h + yi′′
                              2
                                 + Mh3                                         +
                                                                                                       1             1           1 ( IV ) 4          1 (V ) 5
+                                                                              yi −1 = y i − yi ⋅ h +
                                                                                                       2
                                                                                                         yi′′⋅ h 2 − yi′′′⋅ h3 +
                                                                                                                     6           24
                                                                                                                                    yi ⋅ h −
                                                                                                                                                   120
                                                                                                                                                       yi ⋅ h + Mh6 ⋅ γ
                                ( 2h) 2                                                                              4           2                 4
yi + 2 = yi + yi′ ⋅ 2h + yi′′           + Mh3 (⋅2)                             yi −1 = y i −2 yi′ ⋅ h + 2 yi′′⋅ h 2 − yi′′′⋅ h3 + yi( IV ) ⋅ h 4 − yi(V ) ⋅ h5 + Mh6 ⋅ δ
                                   2!                                                                                3           3                15
yi + 2 − 2 yi +1 = − yi + yi′′h 2 + Mh3                                            Умножим каждую из формул на соответствующий множитель α, β,
                                                                               γ или δ и всё сложим. При этом подберем множители так, чтобы сла-
    Сложим эти две формулы, умножив предварительно вторую на -2,               гаемые с y'i, y'''i, y(IV)i сократились, т.е.
получается                                                                           yi′ : 2α + β − γ − 2δ = 0
     y i′′h 2 = y i + 2 − 2 y i +1 + y i + Mh 3                                            4     1     1    4
              y − 2 y i +1 + y i                                                     yi′′′: α + β − γ − δ = 0
     y i′′ = i + 2                   + Mh                                                  3     6     6    3
                        h2                                                                     2    1      1   2
    Полученная формула имеет 1-ый порядок точности.                                  yi( IV ) : α +    β + γ + δ =0
                                                                                               3    24     24  3
    Если этот результат не устраивает исследователя, то можно полу-                Получилась система из 3-х линейных уравнений с 4-я неизвестны-
чить более точную аппроксимацию. Запишем два варианта формулы                  ми (значит одно из неизвестных можно выбрать произвольно).
Тейлора, формулы (1) и (2)
                                                                                    ⎧ 2 ⋅ (α − δ ) + (β − γ )
                                h2      h3                                          ⎪
     yi +1 = yi + yi′ ⋅ h + yi′′ + yi′′′ + Mh4                                      ⎨ 8 ⋅ (α − δ ) + (β − γ )
                                2       6
                                                                                    ⎪16 ⋅ (α + δ ) + (β + γ )
     +                                                                              ⎩
                                h2       h3
     yi −1 = yi − yi′ ⋅ h + yi′′      ′′′
                                   − yi + Mh 4                                    Из первых двух уравнений α – δ = 0 и β – γ = 0 α = δ  β=γ
                                 2        6                                       16(2α) + (2β) = 0        β = -162         β = -162   γ = -162
     yi +1 + yi −1 = 2 yi + yi′′h + Mh
                                 2        4
                                                                                         δ=α
    После сложения получается                                                     Выбираем α = 1, тогда β = -16, γ = -16, δ = 1.
              yi +1 − 2 yi + y −1i                                                Складываем все четыре уравнения, умноженные на соответствую-
     yi′′ =             2
                                   + Mh 2 аппроксимационная формула 2-го по-   щие коэффициенты
                      h                                                              yi + 2 − 16 yi +1 − 16 yi −1 + yi − 2 = −30 yi − 12"i h2 + Mh6
рядка. Можно получить еще более точную формулу
                                                                                             − y i − 2 + 16 y i −1 − 30 y i + 16 y i +1 − y i + 2
                                                                                     y i′′ =                            2
                                                                                                                                                  + Mh 4
                                                                                                                   12h


                                                  7                                                                            8