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  • 数值

    2019-03-02 18:15:56
    matlab实现差数值,函数。
  • [数值积分]龙贝格公式求数值积分 梯形递推的变步长积公式虽然算法简单,但精度低,收敛的速度慢,因此,研究收敛速度快、精度高的龙贝格算法显得尤为重要。 例:用龙贝格算法f(x) = sin(x) / x 在区间[0,1]的...

    梯形递推的变步长求积公式虽然算法简单,但精度低,收敛的速度慢,因此,研究收敛速度快、精度高的龙贝格算法显得尤为重要。

    例:用龙贝格算法求f(x) = sin(x) / x 在区间[0,1]的数值积分,精度要求为1e-6.

    • 加工流程:

    在这里插入图片描述

    • 程序框图设计:

    在这里插入图片描述

    • 运行示例:

    在这里插入图片描述

    • 源码:
    #include<iostream>
    #include<cmath>
    double f(double x);   //自定义函数
    
    using namespace std;
    
    int main(void)
    {
    	double a, b, accuracy;   //a为区间下限,b为区间上限,accuracy为精度
    
    	cout << "请输入积分区间:";   //输入提示
    	cin >> a >> b;
    
    	cout << "请输入精度:";   //输入提示
    	cin >> accuracy;
    
    	double h;   //步长
    
    	h = b - a;  
    
    	double T1, T2;   //T1:二分前的梯形法积分值;T2:二分后的梯形法积分值;
    
    	T1 = h / 2 * (1 + f(b));    
    	T2 = 0;
    
    	int k = 1;  //记录二分次数
    
    	cout << "T" << pow(2, 0) << " = " << T1 << endl;
    
    	double S1, S2;   //对T1与T2加权平均,得辛普森积分值
    	double C1, C2;   //对S1与S2加权平均,得柯特斯积分值
    	double R1, R2;   //对C1,C2加权平均,得龙贝格积分值
    	int flag = 1;   //flag作为循环控制标志性变量
    
    	while (flag == 1)
    	{
    		double sum = 0;  //各分点的函数值和
    		double x = a + h / 2;   //分点值
    
    		while (x < b)   //在区间上限范围内求各分点的函数值和
    		{
    			sum += f(x);   
    			x += h;   
    		}
    
    		T2 = T1 / 2 + h / 2 * sum;    //计算梯形序列得下一个二分结果
    		cout << "T" << pow(2, k) << " = " << T2 << endl;
    
    		S2 = T2 + 1.0 / 3 * (T2 - T1);   //线性组合外推值simpson
    		cout << "S" << pow(2, k - 1) << " = " << S2 << endl;
    
    		if (k == 1)   //至少外推2次得出S1,S2
    		{
    			k++;
    			h /= 2;
    			T1 = T2;
    			S1 = S2;
    			continue;
    		}
    		else
    		{
    			C2 = S2 + 1.0 / 15 * (S2 - S1);  //线性组合外推值Cotes
    			cout << "C" << pow(2, k - 2) << " = " << C2 << endl;
    
    			if (k == 2)   //至少外推3次得出C1,C2
    			{
    				C1 = C2;
    				k++;
    				h /= 2;
    				T1 = T2;
    				S1 = S2;
    				continue;
    			}
    			else
    			{
    				R2 = C2 + 1.0 / 63 * (C2 - C1);   //线性组合外推至Romberg
    				cout << "R" << pow(2, k - 3) << " = " << R2 << endl;
    
    				if (k == 3)   //至少外推4次得出R1,R2
    				{
    					R1 = R2;
    					C1 = C2;
    					k++;
    					h /= 2;
    					T1 = T2;
    					S1 = S2;
    					continue;
    				}
    				else if (abs(R2 - R1) >= accuracy)   //精度仍然不符合要求,继续二分步长、继续外推
    				{
    					R1 = R2;
    					C1 = C2;
    					k = k + 1;
    					h = h / 2;
    					T1 = T2;
    					S1 = S2;
    				}
    				else   //精度符合要求,修改flag为0,跳出while循环
    				{
    					flag = 0;
    					cout << "Romber算法求得数值积分结果为:" << R2 << endl;
    				}
    			}
    		}
    	}
    
    	return 0;
    }
    
    double f(double x)   //自定义被积函数
    {
    	double result;
    
    	result = sin(x) / x;
    
    	return result;
    }
    
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  • 查找根法 给定一个闭区间,我们假设函数f(x)在该区间内有且仅有一个零点,则令f(x) = 0,在该区间内不断折半区间,根据有根的判别条件f(x1) x f(x2) < 0,则经过不断地折半,我们总能找到一个给定了精度的根...

    给定一个闭区间,我们假设函数f(x)在该区间内有且仅有一个零点,则令f(x) = 0,在该区间内不断折半区间,根据有根的判别条件f(x₁) × f(x₂) < 0,则经过不断地折半,我们总能找到一个给定了精度的根,并且有理由相信,该根x关于精度是“准确”的。在实际操作过程中,我们用在精度控制下找到有根区间的中点的值作为方程的近似解。
    示例:用二分法求方程x³ - x - 1 = 0 在区间[1,1.5]内的一个实根,要求误差不超过0.005。

    • 运行示例:

    在这里插入图片描述

    • 源码:
    //实现用二分查找求根法:求出给定精度给定方程的根
    #include<iostream>
    #include<cmath>
    using namespace std;
    
    //函数名:function
    //参数:用户输入的值x
    //返回值:输入参数值的函数值
    //功能:求解给定值的函数值
    double function(double x)   //用户自定义的函数,可修改
    {
    	double result;
    	//求解自定义函数值的函数
    	result = pow(x, 3) - x - 1;
    	return result;
    }
    
    int main(void)
    {
    	double low, up, mid=0, accuracy;    //区间上下限、中点、精度
    	int i=0;
    
    	cout << "请输入区间上、下限:";
    	cin >> low;
    	cin >> up;
    	cout << "请输入精度:";
    	cin >> accuracy;
    
    	cout << endl;
    
    	do
    	{
    
    		//区间取半
    		mid = (low + up) / 2;
    		
    		//判断根的位置
    		if ((function(low) * function(mid)) < 0)    //根在前半区间
    		 {  
    			up = mid;   //将区间中点值赋值给区间上限
    			i++;    //折半查找次数自增1
    			cout << "第" << i << "次折半!" << endl ;
    			cout << "根位于前半区间!" << endl<<endl;
    		}
    		else   //根在后半区间
    		{   
    			low = mid;   //将区间中点的值赋值给区间下限
    			i++;   //折半查找次数自增1
    			cout << "第" << i << "次折半!" << endl ;
    			cout << "根位于后半区间!" << endl << endl;
    		}
    	} while ((up - low) > accuracy);   //若i次二分区间后,区间长度小于精确度,则二分结束,找到近似根
    
    	cout << "解为:";  //用区间中点的值作为根的近似解
    	cout << mid << endl;
    
    	return 0;
    }
    
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  • 然而,微分方程大多数并不能直接出解析式,因此在求解微分方程时更多采用数值计算。 1.2 数值求解微分方程的基本思路是将时间和空间离散化,然后将微分转化为差,推导出差递推式,从而利用边界条件和初始条件...

    1. 引言

    1.1微分方程是描述一个系统的状态随时间和空间变化的最基本的数学表达式,在物理,经济,工程等方面都有及其重要的作用。然而,微分方程大多数并不能直接求出解析式,因此在求解微分方程时更多采用数值计算。
    1.2 数值求解微分方程的基本思路是将时间和空间离散化,然后将微分转化为差分,推导出差分递推式,从而利用边界条件和初始条件进行求解。

    2 常微分方程的差分求解

    一般的,一阶微分方程为
    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述
    首先将连续变量y和t离散化,连续的函数y(t)和f(y,t)化为离散的
    yny_{_{n}}f(yn,tn)f(y_{n},t_{n}),上述微分方程可以化为差分方程

    yn+1ynΔt=f(yn,tn)+f(yn+1,tn+1)2\frac{y_{n+1}-y_{n}}{\Delta t}=\frac{f(y_{n},t_{n})+f(y_{n+1},t_{n+1})}{2}
    y(0)=y0y(0)=y_{0}
    从而我们得到递推关系

    yn+1=yn+Δt2(f(yn,tn)+f(yn+1,tn+1))y_{n+1}=y_{n}+\frac{\Delta t}{2}(f(y_{n},t_{n})+f(y_{n+1},t_{n+1}))
    y(0)=y0y(0)=y_{0}

    有了递推关系和初始条件就可以利用python 强大的计算能力,得到任意的yny_{n}

    3 RC回路的放电问题

    对于一个RCRC回路,我们有
    IR+QC=0IR+\frac{Q}{C}=0
    其中,I,R,Q,CI,R,Q,C分别为电流,电阻,电量和电容,利用I=dQdtI=\frac{dQ}{dt},并定义τRC\tau \equiv RC,我们得到一个含初始条件的一阶常微分方程
    dQdt=Qτ\frac{dQ}{dt}=-\frac{Q}{\tau}
    Q(t0)=Q0Q(t_{0})=Q_{0}
    这个方程当然可以解析求解,得到Q=Q0etτQ=Q_{0}e\tfrac{-t}{\tau }。另一方面按照差分法,可以得到递推关系式
    Qn+1=Qn12(Qnτ+Qn+1τ)ΔtQ_{n+1}=Q_{n}-\frac{1}{2}(\frac{Q_{n}}{\tau}+\frac{Q_{n+1}}{\tau})\Delta t
    Q(0)=Q0Q(0)=Q_{0}
    下面我们用python进行数值求解,并和解析解进行比较

    import numpy as 
    import matplotlib.pyplot  as plt
    rc=2.0 #设置常熟=数
    dt=0.5#设置步长
    n=1000#设置分割段数
    t=0.0#初始时间
    q=1.0#设置初始电量
    
    #先定义三个空列表
    qt=[]#用来盛放差分得到的q值
    qt0=[]#用来盛放解析解得到的q值
    time=[]#用来放时间
    for i in range(n):
    	t=t+dt
    	q1=q-q*dt/rc  #qn+1的近似值
    	q=q-0.5*(q1*dt/rc+q*dt/rc)
    	q0=np.exp(-t/rc)#解析关系
    	qt.append(q)
    	qt0.append(q0)
    	time.append(t)o
    plt.plot(time,qt,'o',label='Euler_Modify')
    plt.plot(time,qt0,'r-',label='Analytcal')
    plt.xlabel('time')
    plt.ylabel('charge')
    plt.legend()
    plt.show()
    
    

    在这里插入图片描述
    下一篇将介绍一维偏微分方程求解。

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    1. Newton-Cotes求积公式

    1.1 N-C求积公式的推导

    在《数值分析(8):数值积分之Lagrange法》中已经介绍了插值型求积公式,它是用n次lagrange插值多项式来近似被积函数,从而对原积分进行近似(因为原积分被积函数的原函数不一定能写出来,而多项式函数的原函数一定能写出来)

    被积函数用n次lagrange插值多项式替代就涉及到如何选取n+1个插值节点的问题,如果将被积区间等间隔地分为n份,从而得到n+1个插值节点,那么这样得到的求积公式称为Newton-Cotes求积公式

    N-C求积公式的推导如下:

    在这里插入图片描述
    可以看到使用N-C求积公式时,最难求的是Ck(n)C^{(n)}_k,而f(xk)f(x_k)是很容易求出来的。注意到Ck(n)C^{(n)}_k是与被积函数f(x)f(x)求积区间 无关的,它只与 节点个数nn求和项kk有关,因此可以列出如下的Ck(n)C^{(n)}_k的表:

    在这里插入图片描述
    注意Ck(n)C^{(n)}_k的值具有与组合数类似的对称性

    1.2 N-C求积公式的余项

    很自然我们想要知道N-C求积公式的近似误差是多少?也就是求积余项,或者说代数精度。对此,有如下定理:

    在这里插入图片描述

    1.3 N-C求积公式的数值稳定性

    关于数值稳定性的定义可以见《数值分析(1):数学模型和数值方法引论

    简单来说,如果初始数据的微小改变会引起最后结果的巨大改变,那么就称作是数值不稳定的,反之则称为数值稳定的。

    对于求积公式的数值稳定性有如下定义:
    在这里插入图片描述

    因为在计算f(xk)f(x_k)时可能存在误差,所以有必要分析N-C求积公式的数值稳定性。对于N-C求积公式的数值稳定性有如下推导和定理:

    在这里插入图片描述

    2. 复合求积公式

    在前面的N-C求积公式分析中可以知道,采用等分区间选节点的方式来计算lagrange多项式,从而近似积分有缺陷,如果节点选少了,势必会导致近似误差大,如果节点选多了,一旦超过7个节点,那么是数值不稳定的。

    如何解决这一困境?

    解决方式就是:把整个积分区间分成若干个子区间(通常是等分),再在每个子区间上采用低阶求积公式,这种方法称为复合求积方法

    复合求积方法是每个区间就有一个lagrange插值多项式函数。根据插值多项式的次数不同,可以分为:复合梯形求积公式、复合Simpson求积公式

    2.1 复合梯形求积公式

    复合梯形求积公式的推导如下:
    在这里插入图片描述
    当然,因为区间是等分的,所以Tn(f)T_n(f)还可以用下式计算:
    在这里插入图片描述

    再看复合梯形求积公式的余项

    在这里插入图片描述

    最后看复合梯形求积公式的收敛性

    在这里插入图片描述

    2.2 复合Simpson求积公式

    复合Simpson求积公式的推导如下:
    在这里插入图片描述

    同样因为区间是等分的,所以Sn(f)S_n(f)的表达式可以化简为:

    在这里插入图片描述
    再看复合Simpson求积公式的余项

    在这里插入图片描述

    最后看复合Simpson求积公式的收敛性
    在这里插入图片描述
    复合梯形求积公式和复合Simpson求积公式必定收敛这个事情是显然的,因为定积分的切割法其实就是“复合矩形求积公式”,那么精确度更高的复合梯形求积公式和复合Simpson求积公式自然也会收敛。

    参考文献:

    关治,陆金甫《数值方法》

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怎样求分数值