Ю11.3

Янішевська Альона Русланівна
Янішевська Альона Русланівна

Latest posts by Янішевська Альона Русланівна (see all)

Задача. Метод Эйткена-Стеффенсона (развитие метода простой итерации). Найти решение уравнения [latex]x=\varphi(x)[/latex] методом Эйткена-Стеффенсона, в котором от заданного начального [latex]x_{0}[/latex] три очередных приближения находятся по формулам: [latex]x_{n+1}=\varphi (x_{n})[/latex]; [latex]x_{n+2}=\varphi (x_{n+1})[/latex]; [latex]x_{n+3}=\frac{x_{n}x_{n+2}-x_{n+1}^{2}}{x_{n}-2x_{n+1}+x_{n+2}}[/latex]. Процесс продолжается до достижения одного из условий: [latex]\left | x_{n+3}-x_{n+2} \right |<\varepsilon[/latex] или [latex]x_{n}-2x_{n+1}+x_{n+2}=0[/latex].

Решение. В начале мы задаем начальное приближение  [latex]x=x_{0}[/latex] и [latex]\varepsilon[/latex]. Нам понадобится цикл с постусловием. Далее вычисляем первое приближение [latex]x_{1}=\varphi (x_{0})[/latex] и второе приближение [latex]x_{2}=\varphi (x_{1})[/latex]. Находим по формуле [latex]x=\frac{x_{0}x_{2}-x_{1}^{2}}{x_{0}-2x_{1}+x_{2}}[/latex]. Далее мы проверяем выполнение условия выхода из цикла: если [latex]\left | x-x_{0} \right |>\varepsilon[/latex] (нужно проверять разность [latex]\left | x-x_{0} \right |>\varepsilon[/latex], а не [latex]\left | x-x_{2} \right |>\varepsilon[/latex]) и [latex]x_{0}-2x_{1}+x_{2}\neq 0[/latex] тогда цикл продолжается, но если хотя бы одно из условий выполнено, то мы получаем, что [latex]x[/latex] — решение уравнения [latex]x=\varphi(x)[/latex].

Данная программа написана для функции [latex]9.2x^{3}+3.3x^{2}+4x-1[/latex].

Тесты:

x [latex]\varepsilon[/latex] Корень уравнения Комментарий
2 0.005 1.99889 Пройден
1 0.00002 0.233905 Пройден
-4 0.0005 -3.99981 Пройден

Код программы:

Код программы можно проверить здесь.

Решение на Java:

Ссылка на решение.

Ю11.8

Сорокина Полина
Сорокина Полина

Latest posts by Сорокина Полина (see all)

Метод Симпсона.  Вычислить определённый интеграл [latex]I=\int_{a}^{b}{f\left(x \right)}dx[/latex] по формуле Симпсона: [latex]I\approx \frac{b-a}{6n}\left(y_{0}+4y_{1}+2y_{2}+\cdot \cdot \cdot +4y_{2n-1}+y_{2n} \right)[/latex], где [latex]2n[/latex] — количество отрезков разбиения, [latex]y_{0}[/latex], [latex]y_{1}[/latex], …, [latex]y_{2n}[/latex] — значение функции [latex]f\left(x \right)[/latex] на концах отрезков.
В задачах на численное интегрирование определённый интеграл требуется найти с заданной точностью, для чего вычисление по формуле метода рекомендуется проводить многократно, каждый раз уменьшая шаг интегрирования в два раза, пока разница между соседними приближениями не станет меньше заданной погрешности.

Функция [latex]a[/latex] [latex]b[/latex] [latex]eps[/latex] Интеграл Комментарий
[latex]f\left(x \right)=\sin \left(x^{2}+2x \right)[/latex] 1 3 0.0001 -0.143058 Тест пройден.
[latex]\ln \left(1+x \right)[/latex] 1 3 0.0001 2.15888 Тест пройден.
[latex]\tan \left(3x^{3} \right)[/latex] 2 15 0.01 0.0256033 Тест пройден.
[latex]x\left( x^{2}-1\right)\left(x+1 \right)[/latex] -1 1 0.3 -0.265625 Тест пройден.

C++:

Java:

С помощью программы можно вычислить интеграл любой непрерывной на  [latex]\left[a;b \right][/latex]  функции, для этого нужно изменить 7 строку.

В условии главного цикла [latex]N\leq 4[/latex], так как важно, чтобы цикл выполнился хотя бы дважды. Потому что первый раз мы сравниваем новое значение интеграла не с предыдущим вычисленным, а с нулём, и если новое значение интеграла будет меньше погрешности, то цикл прекратится после первого же выполнения (без условия [latex]N\leq 4[/latex]).

Задача на Ideone:
C++
Java

Ю11.13

Задача

Метод Рунге-Кутта. Найти приближенное решение обыкновенного дифференциального уравнения  [latex]y^\prime=f(x,y), y(a)=y_{0}[/latex] методом Рунге-Кутта пятого порядка на отрезке [latex][a,b][/latex] с заданным шагом [latex]h[/latex]. Значения функции [latex]y(x)[/latex] в узловых точках вычисляется по формуле: [latex]y_{i+1}=y_{i}+\frac{h}{6}(k_{1}+2k_{2}+2k_{3}+k_{4}), i=0,1,2,\cdots[/latex], где [latex]k_{1}=f(x_{i},y_{i}); k_{2}=f(x_{i}+\frac{h}{2},y_{i}+\frac{h}{2}k_{1});[/latex][latex]k_{3}=f(x_{i}+\frac{h}{2},y_{i}+\frac{h}{2}k_{2}); k_{4}=f(x_{i}+h,y_{i}+hk_{3})[/latex].

Решим дифференциальное уравнение такого вида: [latex]y^\prime=x+y[/latex] при начальном условии [latex]y(0)=1[/latex] на отрезке [latex][0, 0.5][/latex] с шагом интегрирования [latex]h=0.1[/latex]

Screenshot_1

Screenshot_2

 

Screenshot_3

Код программы

Для решения примера введем данные во входной поток в таком порядке: [latex]0.0[/latex], [latex]0.5[/latex], [latex]0.1[/latex], [latex]1.0[/latex], где первое и второе число — начало и конец отрезка интегрирования соответственно, третье — шаг интегрирования и четвертое — значение [latex]y[/latex] в точке [latex]a[/latex] (в начале отрезка), т.е. [latex]y(a)=y(0)[/latex].

В программе присутствует функция, которой мы передаем параметры [latex]x, y[/latex] и которая возвращает само дифференциальное уравнение. Далее, в цикле высчитываем значения [latex]k_{1},k_{2},k_{3},k_{4}[/latex], передавая каждый раз параметры в функцию с шагом [latex]h[/latex] до тех пор пока не дойдем до конца промежутка. После завершения цикла выводим значение [latex]y_{0}[/latex].

 

Ю11.6

Кваша Дар`я Михайлівна
Кваша Дар`я Михайлівна

Latest posts by Кваша Дар`я Михайлівна (see all)

Задача. Метод прямоугольников. Вычислить определенный интеграл [latex]I=\int_{a}^{b}{f(x)dx}[/latex] методом прямоугольников: [latex]\int^b_a f(x)\,dx \approx h (\frac{y_0}{2} + y_1 + \ldots + y_{n-1}+\frac{y_{n}}{2})[/latex], где [latex]n[/latex] — количество отрезков разбиения;  [latex]y_{0},y_{1},…,y_{n}[/latex] — значения функции на концах отрезков.

Вычислим для функции [latex] f(x)=2x^{3}-7x+4[/latex]:

[latex] \int_{0}^{2}{(2x^{3}-7x+4)dx}=2[/latex] Решение: 

Введена функция, которая подсчитывает значение в точке.  Согласно формуле в условии, вычисляем требуемое значение.

В условии приведена более точная формула, чем в учебнике.

С помощью программы можем наблюдать увеличение точности при увеличении количества отрезков разбиения. Сведем некоторые результаты в таблицу:

Количество отрезков разбиения на [a,b] Результат
50 2.0032
500 2.000032
1000 2.000008
5000 2.00000032

С работой программы можно ознакомиться здесь.

Ю11.7

Калачьов Андрій Сергійович
Калачьов Андрій Сергійович

Latest posts by Калачьов Андрій Сергійович (see all)

Метод трапеций. Вычислить определенный интеграл [latex]I=\int_{b}^{a}f(x)dx [/latex] методом трапеций:[latex] I\approx \frac{b-a}{2n}(y_{0}+2y_{1}+\dots+2y_{n-1}+y_{n}), [/latex] где [latex] n [/latex] — количество отрезков разбиения; [latex]y_{0},y_{1},\ldots,y_{n} [/latex] — значения функции [latex]f(x) [/latex] на концах отрезков.

Вычислим определенный интеграл для функции [latex]y=-3x^2+2x+9[/latex] [latex] \int_{-1}^{2}(-3x^2+2x+9)dx=21 [/latex]

Решение:

Ссылка на ideone C++: http://ideone.com/RJpYSw

Ссылка на ideone Java: http://ideone.com/AfEDeq

 

В условии самой задачи весь алгоритм решения расписан.

Ю11.15

Ілларіонова Марія Валеріївна
Ілларіонова Марія Валеріївна

Latest posts by Ілларіонова Марія Валеріївна (see all)

Метод парабол. Найти минимум заданной функции [latex]y=f(x)[/latex], двигаясь от заданной точки [latex]x_{0}[/latex] по методу парабол:

[latex]x_{i+1}=x_{i}-\frac{h}{2}\frac{f\left( x_{i}+h\right)-f\left( x_{i}-h\right)}{f\left( x_{i}+h\right)-2f\left( x_{i}\right)+f\left( x_{i}-h\right)}, i=0,1,\ldots[/latex], пока не будет достигнута заданная точность.

Функция [latex]x^{3}+10\sin (5x)[/latex]:

Безымянный

[latex]x_{0}[/latex] [latex]\varepsilon[/latex] Точка минимума по графику. Точка минимума по программе. Комментарий.
0 0,001 -0,315353 -0,315353 Тест пройден.
1 0,0001  0,932048 0,932048 Тест пройден.
2 0,0001  2,14327 2,14327 Тест пройден.
-3 0,01 -2,93616 -2,93616 Тест пройден.
-2 0,0001  -1,6017 -1,6017 Тест пройден.

Код программы (C++):

Для функции [latex]x^{3}+10\sin (5x)[/latex] (функцию всегда можно изменить, достаточно исправить строку 6):

Java:

 

Чтобы сделать программу, я почитала “Численные методы” Н. Н. Калиткина, где и было сказано, что в качестве вспомогательного шага [latex]h[/latex] при расчётах на ЭВМ обычно выбирают значение 0,001.

Далее пользователю предоставляется возможность ввести значение [latex]x_{0}[/latex] и задать точность [latex]\varepsilon[/latex].  Корень [latex]x[/latex] является минимумом функции тогда и только тогда, когда вторая производная этой функции больше 0. Поэтому мы запускаем цикл, который будет сдвигать наше [latex]x_{0}[/latex] в положительном направлении оси [latex]x[/latex], пока вторая производная функции не будет удовлетворять условию задачи.

Далее мы вычисляем значение [latex]x_{i+1}[/latex], и запускаем цикл, который будет продолжаться до тех пор, пока разница между [latex]x_{i}[/latex] и [latex]x_{i+1}[/latex]  не будет меньше заданной погрешности [latex]\varepsilon[/latex].

Затем на экран выводится сама точка минимума функции.

Программу можно посмотреть здесь (C++) и здесь (Java).