Wprowadzenie do metod numerycznych Wykład 9 Różniczkowanie numeryczne

Podobne dokumenty
Wprowadzenie do metod numerycznych Wykład 2 Numeryczne rozwiązywanie równań nieliniowych

Wprowadzenie do metod numerycznych Wykład 3 Metody algebry liniowej I Wektory i macierze

Analiza numeryczna Kurs INP002009W. Wykład 8 Interpolacja wielomianowa. Karol Tarnowski A-1 p.223

automatyka i robotyka II stopień (I stopień / II stopień) ogólnoakademicki (ogólno akademicki / praktyczny)

1 Szeregi potęgowe. 1.1 Promień zbieżności szeregu potęgowego. Wydział Informatyki, KONWERSATORIUM Z MATEMATYKI, 2008/2009.

Metody Numeryczne w Budowie Samolotów/Śmigłowców Wykład I

Obliczenia naukowe Wykład nr 6

Metody numeryczne. Instytut Sterowania i Systemów Informatycznych Wydział Elektrotechniki, Informatyki i Telekomunikacji Uniwersytet Zielonogórski

Metody numeryczne. Ilorazy różnicowe. dr Artur Woike. Wzory interpolacyjne Newtona i metoda Aitkena.

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania. Technologie informatyczne

Szeregi funkcyjne. Szeregi potęgowe i trygonometryczne. Katedra Matematyki Wydział Informatyki Politechnika Białostocka

ELEMENTY ANALIZY NUMERYCZNEJ ELEMENTY ANALIZY NUMERYCZNEJ. Egzamin pisemny zestaw 1 26 czerwca 2017 roku

Laboratorium 5 Przybliżone metody rozwiązywania równań nieliniowych

ELEMENTY ANALIZY NUMERYCZNEJ ELEMENTY ANALIZY NUMERYCZNEJ. Egzamin pisemny zestaw 1 24 czerwca 2019 roku

Newton vs. Lagrange - kto lepszy?

Całkowanie numeryczne

Metody numeryczne. Sformułowanie zagadnienia interpolacji

Metody numeryczne. Instytut Sterowania i Systemów Informatycznych Wydział Elektrotechniki, Informatyki i Telekomunikacji Uniwersytet Zielonogórski

I. Pochodna i różniczka funkcji jednej zmiennej. 1. Definicja pochodnej funkcji i jej interpretacja fizyczna. Istnienie pochodnej funkcji.

Wykład 11. Informatyka Stosowana. Magdalena Alama-Bućko. 18 grudnia Magdalena Alama-Bućko Wykład grudnia / 22

Metody numeryczne. Sformułowanie zagadnienia interpolacji

METODY NUMERYCZNE. Wykład 3. Plan. Aproksymacja Interpolacja wielomianowa Przykłady. dr hab.inż. Katarzyna Zakrzewska, prof.agh. Met.Numer.

dr inż. Damian Słota Gliwice r. Instytut Matematyki Politechnika Śląska

Met Me ody numer yczne Wykład ykład Dr inż. Mic hał ha Łanc Łan zon Instyt Ins ut Elektr Elektr echn iki echn i Elektrot Elektr echn olo echn

Analiza numeryczna kolokwium2a-15grudnia2005

Metody numeryczne Numerical methods. Elektrotechnika I stopień (I stopień / II stopień) Ogólnoakademicki (ogólno akademicki / praktyczny)

Metody numeryczne. materiały do wykładu dla studentów. 7. Całkowanie numeryczne

Interpolacja funkcji

WYDZIAŁ INFORMATYKI I ZARZĄDZANIA, studia niestacjonarne ANALIZA MATEMATYCZNA1, lista zadań 1

Wykład 5. Zagadnienia omawiane na wykładzie w dniu r

II. RÓŻNICZKOWANIE I CAŁKOWANIE NUMERYCZNE Janusz Adamowski

Metody numeryczne Numerical methods. Elektrotechnika I stopień (I stopień / II stopień) Ogólnoakademicki (ogólno akademicki / praktyczny)

Interpolacja, aproksymacja całkowanie. Interpolacja Krzywa przechodzi przez punkty kontrolne

S Y L A B U S P R Z E D M I O T U

Metody numeryczne rozwiązywania równań różniczkowych

Zadania z analizy matematycznej - sem. I Pochodne funkcji, przebieg zmienności funkcji

Pochodna funkcji. Pochodna funkcji w punkcie. Różniczka funkcji i obliczenia przybliżone. Zastosowania pochodnych. Badanie funkcji.

DOPASOWYWANIE KRZYWYCH

Interpolacja. Marcin Orchel. Drugi przypadek szczególny to interpolacja trygonometryczna

Metody numeryczne. Instytut Sterowania i Systemów Informatycznych Wydział Elektrotechniki, Informatyki i Telekomunikacji Uniwersytet Zielonogórski

Obliczenia Symboliczne

1. Pochodna funkcji. 1.1 Pierwsza pochodna - definicja i własności Definicja pochodnej

Analiza matematyczna i algebra liniowa Pochodna funkcji

Wprowadzenie do metod numerycznych Wykład 1 Przybliżenia

Obliczenia naukowe Wykład nr 2

Zał nr 4 do ZW. Dla grupy kursów zaznaczyć kurs końcowy. Liczba punktów ECTS charakterze praktycznym (P)

Maciej Grzesiak Instytut Matematyki Politechniki Poznańskiej. Całki nieoznaczone

22 Pochodna funkcji definicja

Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki. Karta przedmiotu. obowiązuje studentów rozpoczynających studia w roku akademickim 2016/2017

Całkowanie numeryczne przy użyciu kwadratur

Egzamin z Metod Numerycznych ZSI, Grupa: A

Egzamin / zaliczenie na ocenę* 1,6 1,6

Wykład 3 Równania rózniczkowe cd

y f x 0 f x 0 x x 0 x 0 lim 0 h f x 0 lim x x0 - o ile ta granica właściwa istnieje. f x x2 Definicja pochodnych jednostronnych

CAŁKI NIEOZNACZONE C R}.

Specjalnościowy Obowiązkowy Polski Semestr szósty

Matematyka stosowana i metody numeryczne

Wprowadzenie Metoda bisekcji Metoda regula falsi Metoda siecznych Metoda stycznych RÓWNANIA NIELINIOWE

Równania różniczkowe cząstkowe drugiego rzędu

Pochodna funkcji jednej zmiennej

Pochodna funkcji c.d.-wykład 5 ( ) Funkcja logistyczna

Równania różniczkowe liniowe rzędu pierwszego

Obliczenia Naukowe i Metody Numeryczne. Laboratorium Komputerowe lista 4 5 października 2012

Egzamin z Metod Numerycznych ZSI, Egzamin, Gr. A

Wykład 10: Całka nieoznaczona

Matematyka z el. statystyki, # 4 /Geodezja i kartografia I/

Wielomiany Legendre a

Metody numeryczne. Instytut Sterowania i Systemów Informatycznych Wydział Elektrotechniki, Informatyki i Telekomunikacji Uniwersytet Zielonogórski

Obliczenia Naukowe. Wykład 12: Zagadnienia na egzamin. Bartek Wilczyński

INTERPOLACJA I APROKSYMACJA FUNKCJI

f(x + x) f(x) . x Pochodne ważniejszych funkcji elementarnych (c) = 0 (x α ) = αx α 1, gdzie α R \ Z (sin x) = cos x (cos x) = sin x

Rachunek różniczkowy funkcji jednej zmiennej. 1 Obliczanie pochodnej i jej interpretacja geometryczna

Metody numeryczne. dr hab inż. Tomasz Chwiej. Syllabus:

Grafika komputerowa Wykład 7 Modelowanie obiektów graficznych cz. I

Wstęp do metod numerycznych Zadania numeryczne 2016/17 1

Interpolacja i modelowanie krzywych 2D i 3D

Pochodna funkcji: zastosowania przyrodnicze wykłady 7 i 8

Wstęp do metod numerycznych Rozwiazywanie równań algebraicznych. P. F. Góra

x y

1 Funkcja wykładnicza i logarytm

Metody Lagrange a i Hamiltona w Mechanice

1.1 Przegląd wybranych równań i modeli fizycznych. , u x1 x 2

Wykład 14 i 15. Równania różniczkowe. Równanie o zmiennych rozdzielonych. Definicja 1. Równaniem różniczkowym zwyczajnym rzędu n nazywamy równanie

Elementy metod numerycznych

Całka nieoznaczona wykład 7 ( ) Motywacja

1 Funkcja wykładnicza i logarytm

Wprowadzenie do metod numerycznych Wykład 8 Całkowanie numeryczne

Metody numeryczne. Instytut Sterowania i Systemów Informatycznych Wydział Elektrotechniki, Informatyki i Telekomunikacji Uniwersytet Zielonogórski

Lista 1 - Funkcje elementarne

METODY KOMPUTEROWE W MECHANICE

1 Równania nieliniowe

Całki nieoznaczone. 1 Własności. 2 Wzory podstawowe. Adam Gregosiewicz 27 maja a) Jeżeli F (x) = f(x), to f(x)dx = F (x) + C,

ECTS (Część 2. Metody numeryczne) Nazwa w języku angielskim: Algorithms and data structures.

Funkcje. Część druga. Zbigniew Koza. Wydział Fizyki i Astronomii

Matematyka i Statystyka w Finansach. Rachunek Różniczkowy

3. Interpolacja. Interpolacja w sensie Lagrange'a (3.1) Dana jest funkcja y= f x określona i ciągła w przedziale [a ;b], która

Algorytmy obliczeniowe

5 Równania różniczkowe zwyczajne rzędu drugiego

Bardzo łatwa lista powtórkowa

Metody numeryczne Numerical methods. Energetyka I stopień (I stopień / II stopień) Ogólnoakademicki (ogólnoakademicki / praktyczny)

Transkrypt:

Wprowadzenie do metod numerycznych Wykład 9 Różniczkowanie numeryczne Polsko-Japońska Wyższa Szkoła Technik Komputerowych Katedra Informatyki Stosowanej

Spis treści 1 Na czym polega różniczkowanie numeryczne 2 Interpolacja Newtona 3 4

Spis treści 1 Na czym polega różniczkowanie numeryczne 2 Interpolacja Newtona 3 4

Spis treści 1 Na czym polega różniczkowanie numeryczne 2 Interpolacja Newtona 3 4

Spis treści 1 Na czym polega różniczkowanie numeryczne 2 Interpolacja Newtona 3 4

Literatura 1 Baron B., Piątek Ł., Metody numeryczne w C++ Builder, Helion, Gliwice, 2004 2 Fortuna Z., Macukow B., Wąsowski J., Metody numeryczne, WNT, Warszawa, 1993 3 Kosma Z., Metody numeryczne dla zastosowań inżynierskich, Politechnika Radomska, Radom, 2008 4 Povstenko J., Wprowadzenie do metod numerycznych, Akademicka Oficyna Wydawnicza Exit, Warszawa, 2005 5 Ralston A., Wstęp do analizy numerycznej, PWN, Warszawa, 1983 6 Kącki E., Małolepszy A., Romanowicz A., Metody numeryczne dla inżynierów, Wyższa Szkoła Informatyki w Łodzi, Łódź, 2005 7 Vetterling W.T., Teukolsky S.A., Press W.H., Flannery B.P., Numerical Recipes, Cambridge University Press, 2003 8 Wikipedia

Dlaczego różniczkujemy numeryczne Definicja pochodnej f(x 2 ) f(x) f(x 1 ) α x 1 x x 2 Rys. 1: Definicja pochodnej

Dlaczego różniczkujemy numeryczne Definicja pochodnej d f (x) dx = lim h 0 f (x + h) f (x) h (1) gdzie h = x 2 x 1 Podstawowe wzory c = 0; x = 1; (x n ) = nx n 1 ; (1/x n ) = (n/x n+1 ); ( x) = 1/(2 x); (e x ) = e x ; (a x ) = a x ln a; (ln x) = 1/x; (sin x) = cos x; (cos x) = sin x; (tg x) = 1/cos 2 x; (ctg x) = 1/ sin 2 x (2)

Dlaczego różniczkujemy numeryczne Dwie trudności Potrzeba zastosowania metod numerycznych do różniczkowania pojawia się w dwu przypadkach: 1 funkcja jest określona w postaci stablicowanej; 2 analityczna postać funkcji jest bardzo skomplikowana. Rozwiązanie: w interesującym nas przedziale [a, b] zastępujemy funkcję f (x) przez jej funkcję interpolacyjną W (x) i stosujemy wzory na przybliżone wartości: f (x) W (x); f (x) W (x);... f (m) (x) W (m) (x) UWAGA: z faktu, że błąd interpolacji jest mały, wcale nie wynika że błąd pochodnej też jest mały! Może być wielki!

Wzór interpolacyjny Newtona N n (x) = y 0 + q y 0 + q(q 1) 2 y 0 + 2! q(q 1)(q 2) 3 y 0 +... + 3! gdzie y 0 = f (x 0 ), q = x x 0 h q(q 1)... (q n + 1) n y 0 n! (3)

Pochodne w interpolacji Newtona f (x) N n(x) = 1 h [ y 0 + 1 2! (2q 1) 2 y 0 + + 1 3! (3q2 6q + 2) 3 y 0 + + 1 ] 4! (4q3 18q 2 + 22q 6) 4 y 0 +... (4) f (x) N n (x) = 1 [ 2 h 2 y 0 + (q 1) 3 y 0 + + 1 ] (5) 12 (6q2 18q + 11q) 4 y 0 +...

Pochodne w interpolacji Newtona Wzory (4) i (5) upraszczają się dla punktów węzłowych, gdyż wtedy q = 0 i f (x 0 ) N n(x 0 ) = 1 [ y 0 1 h 2 2 y 0 + 1 3 3 y 0 1 ] 4 4 y 0 +... (6) f (x 0 ) N n (x 0 ) = 1 [ h 2 2 y 0 3 y 0 + 11 12 4 y 0 5 ] 6 5 y 0... (7)

Pochodne w interpolacji Newtona Przykład Policzyć dla funkcji f (x), określoną przez poniższą tabelę, pierwszą i drugą pochodną w punkcie x = 1.0. x i y i y i 2 y i 3 y i 4 y i 1.0 1.1752 0.1605 1.1 1.3357 0.0133 0.1738 0.0018 1.2 1.5095 0.0151 0.0001 0.1889 0.0019 1.3 1.6984 0.0170 0.2059 1.4 1.9043

Pochodne w interpolacji Newtona Przykład c.d. Podstawiamy do wzorów (6) i (7) określone wartości z tabeli: f (1.0) N n(1.0) = 1 [0.1605 12 0.1 0.0133 + 13 0.0018 14 ] 0.0001 = = 0.1543 f (1.0) N n (1.0) = 1 [ (0.1) 2 0.0133 0.0018 + 11 ] 12 0.0001 = 1.1592 Dane w tablicy to wartości dla funkcji y = sinh x (y = cosh x i y = sinh x), a dokładne wartości, to y (1.0) = 1.5431 i y (1.0) = 1.1752.

Dowolne rozmieszczenie węzłów Wielomian interpolacyjny Lagrange a f (x) L n (x) = n k=0 1 ω n+1 (x) y k ω n+1 (x (8) k) x x k gdzie ω n+1 = (x x 0 )(x x 1 )... (x x n ), a ω n+1 = (x k x 0 )(x k x 1 )... (x k x k 1 )(x k x k+1 )... (x x n )

Dowolne rozmieszczenie węzłów Mamy zatem f (x) L n(x) = f (m) (x) L (m) n (x) = n ( ) 1 d ωn+1 (x) y k ω n+1 (x k) dx x x k k=0 n 1 d m ( ) ωn+1 (x) y k ω n+1 (x k) dx m x x k k=0 Czasami jest wygodniej korzystać ze wzorów w terminach wartości funkcji w węzłach, a jeszcze lepiej, gdy węzły rozmieszczone w jednakowych odstępach. (9) (10)

Jednakowe rozmieszczenie węzłów Wartości pierwszych i drugich pochodnych dla n = 2 (trzy punkty)

Jednakowe rozmieszczenie węzłów Wartości pierwszych i drugich pochodnych dla n = 3 (cztery punkty)

Przykład Dla funkcji określonej poniższą tabelą policz pierwszą i drugą pochodną w węzłach. x i y i 0.5 0.4794 0.6 0.5646 0.7 0.6442 0.8 0.7174

Przykład c.d. Wartości pierwszych pochodnych dla n = 3 (cztery punkty)

Przykład c.d. Wartości drugich pochodnych dla n = 3 (cztery punkty)

Przykład c.d. W tabeli podano wyniki dla funkcji y = sin x. Dokładne wartości pierwszej pochodnej (y = cos x) wynoszą y (0.5) = 0.8776 y (0.6) = 0.8253 y (0.7) = 0.7648 y (0.8) = 0.6967 Drugie pochodne powinny być takie, jak w tabeli, ale z dokładnością do znaku (dlaczego?).

Chcemy zróżniczkować numerycznie funkcję daną wzorem y = g e ikx (11) gdzie g amplituda, k liczba falowa, i pierwiastek z liczby 1. Wstawiamy (11) do ilorazu różnicowego (12) i otrzymujemy y i = y i+1 y i 1 + O(h 2 ) (12) 2h y j = g [e ] ik(x j +h) e ik(x j h) 2h = geikx j h [ e ikh e ikh] = i y j h sin kh (13)

Rozwijamy funkcję sin kh w szereg i dostajemy [ y j = iky j 1 k2 h 2 ] + O(k 4 h 4 ) 6 (14) Porównujemy (13) i (14) i mamy y = ikge ikx = iky co pozwala nam stwierdzić, że wzór różnicowy (12) jest dobrą aproksymacja pierwszej pochodnej w sytuacji, gdy 1 liczba falowa k jest mała; 2 długość fali λ = 2π/k jest duża. Wniosek: metody różnicowe można stosować dla zjawisk długofalowych, a aproksymacja tym lepsza im więcej punktów dyskretyzacji.

Zadanie domowe Sprawdź, czy i w jakich sytuacjach operator różnicowy drugiego rzędu jest dobrą aproksymacją drugiej pochodnej funkcji y = g e ikx

Koniec? :-( Interpolacja Newtona Koniec wykładu 9