euler.pdf

(91 KB) Pobierz
R ó wnania r ó »niczkowe - wstƒp
Naszym zadaniem bƒdzie aproksymacja rozwi¡zania y zagadnienia Cau-
chy’ego:
dy
dt = f ( t;y ) dla a·t·b;
(1)
z warunkiem pocz¡tkowym
y ( a )= ®: (2)
O funkcji f ( t;y )m ó wimy, »e spe“nia warunek Lipschitza ze wzglƒdu na
zmienn¡ y na zbiorze D½R 2 , je»eli istnieje sta“a L> 0taka, »e
jf ( t;y 1 ) ¡f ( t;y 2 ) j·Ljy 1 ¡y 2 j
dla dowolnych( t;y 1 ),( t;y 2 ) 2D .
Twierdzenie: Niech f ( t;y )bƒdzie funkcj¡ ci¡g“¡ na zbiorze D = f ( t;y ):
a·t·b;¡1<y<1g . Je»eli f spe“nia na zbiorze D warunek Lipschitza
ze wzglƒdu na zmienn¡ y , to zagadnienie pocz¡tkowe (1) + (2) posiada jedyne
rozwi¡zanie y ( t )dla t2 [ a;b ].
O zagadnieniu pocz¡tkowym (1) + (2) m ó wimy, »e jest dobrze posta-
wione, je–li spe“nione s¡ nastƒpuj¡ce warunki:
² istnieje jedyne rozwi¡zanie y ( t )tego zagadnienia,
² istniej¡ sta“e dodatnie " i k o tej w“asno–ci, »e jedyne rozwi¡zanie z ( t )
zagadnienia pocz¡tkowego
dz
dt = f ( t;z )+ ± ( t ) ;a·t·b;z ( a )= ® + " 0 ;
istnieje oraz spe“nia warunek
jz ( t ) ¡y ( t ) j<k"
dla wszystkich t2 [ a;b ], o ile j" 0 j<" oraz j± ( t ) j<" .
Twierdzenie: Niech D = f ( t;y ): a·t·b;¡1<y<1g . Zagadnie-
nie pocz¡tkowe
dy
dt = f ( t;y ) ;a·t·b;y ( a )= ®;
jest dobrze postawione, je»eli f jest funkcj¡ ci¡g“¡ i spe“nia na zbiorze D
warunek Lipschitza ze wzglƒdu na zmienn¡ y .
1
 
Metoda Eulera
Chocia» metoda Eulera w praktyce jest rzadko stosowana, jej prostota
pozwala na ilustracjƒ technik u»ywanych w bardziej zaawansowanych meto-
dach. Naszym celem jest otrzymanie przybli»enia rozwi¡zania zagadnienia
pocz¡tkowego
dy
dt = f ( t;y ) ;a·t·b;y ( a )= ®:
(3)
‘ ci–lej m ó wi¡c, w metodzie tej nie otrzymamy ci¡g“ego przybli»enia rozwi¡-
zania y tego zagadnienia, lecz jedynie przybli»enia tego rozwi¡zania w r ó »-
nych punktych, zwanych siatk¡. Przybli»enia rozwi¡zania y w pozosta“ych
punktach uzyskuje siƒ na drodze interpolacji.
Przyjmijmy zatem, »e punkty siatki ft 0 ;t 1 ;t 2 ;:::;t n g s¡ roz“o»one na
ca“ym przedziale[ a;b ]w jednakowych odleg“o–ciach. W ó wczas
t i = a + ih; i =0 ; 1 ; 2 ;:::;n:
Wsp ó ln¡ odleg“o–¢ miƒdzy punktami, h =( b¡a ) =n , nazywamy krokiem
metody. Aby wyprowadzi¢ metodƒ Eulera skorzystamy z rozwiniƒcia funkcji
w szereg Taylora.
Przypu–¢my, »e funkcja y ( t ), jedyne rozwi¡zanie zagadnienia (3) jest dwu-
krotnie r ó »niczkowalna w spos ó b ci¡g“y na przedziale[ a;b ], a zatem dla ka»-
dego i =0 ; 1 ; 2 ;:::;n mo»emy zapisa¢:
y ( t i +1 )= y ( t i )+( t i +1 ¡t i ) y 0 ( t i )+ ( t i +1 ¡t i ) 2
2 y 00 ( ³ i )
dla pewnego ³ i 2 ( t i ;t i +1 ).
Stosuj¡c notacjƒ h = t i +1 ¡t i , dostajemy
y ( t i +1 )= y ( t i )+ hy 0 ( t i )+ h 2
2 y 00 ( ³ i ) ;
a poniewa» y ( t )spe“nia (3) mamy
y ( t i +1 )= y ( t i )+ hf ( t i ;y ( t i ))+ h 2
2 y 00 ( ³ i ) :
Metoda Eulera tworzy warto–ci w i ¼y ( t i )dla ka»dego i =1 ; 2 ;:::;n ,
zgodnie ze wzorem
w 0 = ®;
w i +1 = w i + hf ( t i ;w i ) :
2
Szacowanie b“ƒd ó w
Twierdzenie: Niech y ( t )bƒdzie jedynym rozwi¡zaniem dobrze posta-
wionego zagadnienia pocz¡tkowego
y 0 = f ( t;y ) ;a·t·b;y ( a )= ®;
za– w 0 ;w 1 ;w 2 ;:::;w n bƒd¡ przybli»eniami generowanymi przez metodƒ Eu-
lera dla pewnej liczby dodaniej n . Je–li f spe“nia warunek Lipschitza ze sta“¡
L na zbiorze D = f ( t;y ): a·t·b;¡1<y<1g oraz istnieje sta“a M o
tej w“asno–ci, »e
jy 00 ( t ) j·M dla wszystkich t2 [ a;b ] ;
to
³
´
jy ( t i ) ¡w i j· hM
e L ( t i ¡a ) ¡ 1
2 l
dla ka»dego i =0 ; 1 ; 2 ;:::;n .
Istotno–¢ powy»szej formu“y polega na tym, »e zale»y ona liniowo od wiel-
ko–ci kroku metody h . A zatem zmniejszanie wielko–ci kroku powinno da¢
wiƒksz¡ dok“adno–¢ wyniku. Niestety, formu“a ta nie bierze pod uwagƒ faktu,
»e zmniejszanie kroku metody powoduje wzrost ilo–ci oblicze«, a co zatem
idzie wzrost b“ƒd ó w zaokr¡gle«. W rzeczywisto–ci, nie liczymy w 0 ;w 1 ;:::;w n ,
ale
u 0 = b ®;
u i = u i¡ 1 + hf ( t i¡ 1 ;u i¡ 1 )+ ± i
dla ka»dego i =1 ; 2 ;:::;n , gdzie b ® jest przybli»eniem warto–ci pocz¡tkowej
® ,
a ± i oznaczaj¡
b“ƒdy
zaokr¡gle«
zwi¡zane
z
obliczaniem
u i¡ 1 + hf ( t i¡ 1 ;u i¡ 1 ).
Twierdzenie: Niech y ( t )bƒdzie jedynym rozwi¡zaniem dobrze posta-
wionego zagadnienia pocz¡tkowego
y 0 = f ( t;y ) ;a·t·b;y ( a )= ®;
oraz u 0 ;u 1 ;u 2 ;:::;u n bƒd¡ odpowiednimi przybli»eniami tego rozwi¡zania.
Je–li j± i j<± dla ka»dego i =0 ; 1 ; 2 ;:::;n , gdzie ± 0 = b ®¡® oraz zachodzi
teza wcze–niejszego twierdzenia to
³ hM
´³
´
jy ( t i ) ¡u i j· 1
L
2 + ±
e L ( t i ¡a ) ¡ 1
+ j± 0 je L ( t i ¡a )
h
3
dla ka»dego i =0 ; 1 ; 2 ;:::;n .
Jak widzimy, b“¡d nie zale»y ju» w spos ó b liniowy od wielko–ci h , a co
gorsza, poniewa»
³ hM
´
2 + ±
lim
h! 0
= 1;
h
mo»emy spodziewa¢ siƒ, »e b“¡d ten bƒdzie bardzo du»y dla wystarczaj¡co
ma“ych warto–ci h . Zwyk“e techniki obliczeniowe pozwalaj¡ nam ustali¢ od-
powiedni¡ wielko–¢ kroku h . Bior¡c bowiem E ( h )=( hM= 2)+( ±=h )mamy
E 0 ( h )=( M= 2) ¡ ( ±=h 2 ).
q
2 ±=M to E 0 ( h ) < 0i E ( h )maleje.
² Je–li h>
q
2 ±=M to E 0 ( h ) > 0i E ( h )ro–nie.
² Je–li h<
Najmniejsza warto–¢ E ( h )wystƒpuje wtedy, kiedy
q
h =
2 ±=M ;
zmiejszanie kroku h poza t¡ warto–¢ powoduje zwiƒkszanie b“ƒdu globalnego
aproksymacji.
4
887109195.001.png 887109195.002.png
 
Zgłoś jeśli naruszono regulamin