5. Obliczanie pochodnych funkcji jednej zmiennej

Podobne dokumenty
2. Równania nieliniowe i ich uk lady

Równania różniczkowe o zmiennych rozdzielonych

P (x, y) + Q(x, y)y = 0. g lym w obszrze G R n+1. Funkcje. zania uk ladu (1) o wykresie przebiegaja

DZYSZKOLNE ZAWODY MATEMATYCZNE. Eliminacje rejonowe. Czas trwania zawodów: 150 minut

FUNKCJE LICZBOWE. x 1

II. RÓŻNICZKOWANIE I CAŁKOWANIE NUMERYCZNE Janusz Adamowski

Równania różniczkowe liniowe drugiego rze

Matematyka dyskretna. Andrzej Łachwa, UJ, /15

g liczb rzeczywistych (a n ) spe lnia warunek

Wzór Maclaurina. Jeśli we wzorze Taylora przyjmiemy x 0 = 0 oraz h = x, to otrzymujemy tzw. wzór Maclaurina: f (x) = x k + f (n) (θx) x n.

Dziedziny Euklidesowe

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

Ekonomia matematyczna i dynamiczna optymalizacja

Metody numeryczne I Równania nieliniowe

Rozwiązywanie równań nieliniowych i ich układów. Wyznaczanie zer wielomianów.

Elementy metod numerycznych

NIEPEWNOŚCI POMIAROWE

Wykład 6, pochodne funkcji. Siedlce

KADD Minimalizacja funkcji

Dzia lanie grupy na zbiorze. Twierdzenie Sylowa

Całkowanie numeryczne przy użyciu kwadratur

Promieniowanie cia la doskonale czarnego

Matematyka A, egzamin, 17 czerwca 2005 rozwia zania

Pochodne wyższych rze

Z52: Algebra liniowa Zagadnienie: Zastosowania algebry liniowej Zadanie: Operatory różniczkowania, zagadnienie brzegowe.

Wykłady z matematyki inżynierskiej EKSTREMA FUNKCJI. JJ, IMiF UTP

RÓŻNICZKOWANIE FUNKCJI WIELU ZMIENNYCH: rachunek pochodnych dla funkcji wektorowych. Pochodne cząstkowe funkcji rzeczywistej wielu zmiennych

Pisemny egzamin dyplomowy. na Uniwersytecie Wroc lawskim. na kierunku matematyka. zadania testowe. 22czerwca2009r. 60 HS-8-8

22 Pochodna funkcji definicja

Szeregi liczbowe wste

Systemy liczbowe Plan zaję ć

Sterowalność liniowych uk ladów sterowania

Grupy i cia la, liczby zespolone

Wzory Viete a i ich zastosowanie do uk ladów równań wielomianów symetrycznych dwóch i trzech zmiennych

Analiza dla informatyków 2 DANI LI2 Pawe l Domański szkicowe notatki do wyk ladu

Wstęp do równań różniczkowych

Optymalizacja ciągła

Wstęp do równań różniczkowych

1 Bª dy i arytmetyka zmiennopozycyjna

MATEMATYKA REPREZENTACJA LICZB W KOMPUTERZE

VIII. Zastosowanie rachunku różniczkowego do badania funkcji. 1. Twierdzenia o wartości średniej. Monotoniczność funkcji.

Analiza matematyczna dla informatyków 3 Zajęcia 14

Projekt Era inżyniera pewna lokata na przyszłość jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Funkcje wielu zmiennych

Wyk lad 7 Metoda eliminacji Gaussa. Wzory Cramera

Pochodne funkcji wraz z zastosowaniami - teoria

RÓWNANIA NIELINIOWE Maciej Patan

TEORIA GRAFÓW. MATERIA LY VI. semestr letni 2013/2014. Jerzy Jaworski. Typeset by AMS-TEX

4. Dzia lanie grupy na zbiorze

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

METODY ROZWIĄZYWANIA RÓWNAŃ NIELINIOWYCH

Tekst poprawiony 27 XII, godz. 17:56. Być może dojda

Pochodne i wykresy funkcji

na p laszczyźnie kartezjaṅskiej prowadzimy prost a o rȯwnaniu s 1. (1.1) s 0 + t 1 t 0

c a = a x + gdzie = b 2 4ac. Ta postać wielomianu drugiego stopnia zwana jest kanoniczna, a wyrażenie = b 2 4ac wyróżnikiem tego wielomianu.

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

PRZYBLI ONE METODY ROZWI ZYWANIA RÓWNA

Pochodna funkcji jednej zmiennej

OBLICZENIA W FIZYCE I TECHNICE

ep do matematyki aktuarialnej Micha l Jasiczak Wyk lad 2 Tablice trwania życia

Matematyka A, kolokwium, 5 stycznia 2011 rozwia zania

Zastosowanie Excela w obliczeniach inżynierskich.

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

Liczby naturalne i ca lkowite

Metody przybliżonego rozwiązywania równań różniczkowych zwyczajnych

MATEMATYKA W SZKOLE HELIANTUS LICZBY NATURALNE I CA LKOWITE

KADD Metoda najmniejszych kwadratów funkcje nieliniowe

Wybrane metody przybliżonego. wyznaczania rozwiązań (pierwiastków) równań nieliniowych

Metody numeryczne. Równania nieliniowe. Janusz Szwabiński.

1 + c. : c(1+c) b. b c 1+c. ab, b) a, b > 0 ( 1 a + 1 b

Algebra i jej zastosowania ćwiczenia

Pierwiastki arytmetyczne n a

Zastosowania pochodnych

Matematyka I. Bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna Semestr zimowy 2018/2019 Wykład 9

PODSTAWOWE W LASNOŚCI W ZBIORZE LICZB RZECZYWISTYCH

c ze wzoru dwumianowego Newtona obliczyć sumy: a) 3 2 obliczyć wartości wyrazów będa cych liczbami ca lkowitymi,

Zagadnienia na wej±ciówki z matematyki Technologia Chemiczna

KOMBINATORYKA 1 WYK LAD 9 Zasada szufladkowa i jej uogólnienia

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

Rozwiązywanie równań nieliniowych i ich układów. Wyznaczanie zer wielomianów.

2. PRZELICZANIE OBIEKTÓW KOMBINATORYCZNYCH

Oddzia lywania miedzycz. jony molekularne lub atomy. edzy A i B:

Luty 2001 Algorytmy (8) 2000/2001

= (3x 2)(2x 3). Sta d wnioskujemy, że 6x 3 x 2 20x + 12 = =(x + 2)(3x 2)(2x 3), co kończy zadanie.

Algebra liniowa z geometria. - zadania Rok akademicki 2010/2011

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

Algebra i jej zastosowania ćwiczenia

Projekt Era inżyniera pewna lokata na przyszłość jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Metody Numeryczne. Wojciech Szewczuk

1. Równania i nierówności liniowe

1. Zadania z Algebry I

Zaawansowane metody numeryczne

Liczby zespolone. Liczbami zespolonymi nazywamy liczby postaci a + bi, gdzie i oznacza jednostke urojona

1 Pochodne wyższych rzędów

Uwagi ogólne: Zadania oznaczone ( ) w zasadzie powinny być oczywiste i jako takie winny być omówione

12. Wykazać, że liczba podzbiorów zbioru {1, 2,..., n}, które nie zawieraja, dwu kolejnych liczb naturalnych

1 Równania nieliniowe

Wersja testu A 15 lutego 2011 r. jest, że a) x R y R y 2 > Czy prawda. b) y R x R y 2 > 1 c) x R y R y 2 > 1 d) x R y R y 2 > 1.

Statystyka w analizie i planowaniu eksperymentu lista nr 7

Transkrypt:

Kiedy może być potrzebne numeryczne wyznaczenie pierwszej lub wyższej pochodnej funkcji jednej zmiennej? mamy f(x), nie potrafimy znaleźć analitycznie jej pochodnej, nie znamy postaci f(x), mamy stablicowane jej niektóre wartości i chcemy oszacować wartości jej pochodnej, t [s] 0,0 0,2 0,4 0,6... x [m] 1,14 1,39 1,68 2,04... znamy po lożenie x jakiegoś cia la w ruchu prostoliniowym w konkretnych chwilach; kolejne pochodne x wzgle ι dem t: pre ι dkość x, przyspieszenie x, szarpnie ι cie x. 1/19

Kiedy może być potrzebne numeryczne wyznaczenie pierwszej lub wyższej pochodnej funkcji jednej zmiennej? mamy dane równanie różniczkowe, na przyk lad x (t) = x(t) x (t)+f(t) chcemy otrzymać równanie różnicowe, które rozwia ι żemy numerycznie (z warunkami pocza ι tkowymi). Co reprezentuje to równanie? 2/19

Szereg Taylora Różniczkowanie numeryczne funkcji f(x) opiera sie ι przede wszystkim na korzystaniu z rozwinie ι cia funkcji w szereg Taylora. Jeśli funkcja f(x) jest nieskończenie razy różniczkowalna na pewnym otoczeniu punktu x 0 (czyli w pewnym przedziale (x 0 δ,x 0 +δ)), to dla każdego x należa ι cego do tego otoczenia: f(x) = f(x 0 )+(x x 0 )f (x 0 )+ (x x 0) 2 f (x 0 )+...+ 2! + (x x 0) n f (n) (x 0 )+... n! 3/19

Definicja pochodnej f f(x + x) f(x) (x) = lim x 0 x wartość pochodnej można oszacować za pomoca ι wartości funkcji w dwóch blisko siebie leża ι cych punktach (o ile granica istnieje). Numeryczne obliczanie pochodnej: przybliżenie wartości tej pochodnej odpowiednia ι kombinacja ι wartości funkcji f w pewnych punktach. 4/19

Za lożenie: Mamy równomiernie roz lożone punkty x k, odleg lość mie ι dzy sa ι siednimi punktami wynosi h, znamy wartości funkcji f(x k ) = f k. Wyznaczmy najprostsze przybliżenie f w punkcie x k i określmy jego dok ladność. Rozwińmy f(x k+1 ) w otoczeniu x k : f(x k+1 ) = f(x k )+hf (x k )+0(h 2 ). 0(h 2 ): suma sk ladników zawieraja ι cych h 2, h 3,..., najbardziej znacza ι cy sk ladnikiem jest ten, w którym wyste ι puje h 2. Otrzymujemy wzór dwupunktowy: f k = f k+1 f k h +0(h). 5/19

Otrzymujemy wzór dwupunktowy: f k = f k+1 f k h +0(h). pochodna oszacowana na podstawie wartości funkcji w 2 sa ι siednich punktach,,b la ι d jest rze ι du h, metoda ma lo dok ladna zmniejszenie h o po lowe ι b la ι d zmaleje o (oko lo) po lowe ι,,oko lo bo 0(h) zawiera sk ladniki h 2 itd B la ι d: różnica mie ι dzy dok ladna ι wartościa ι pochodnej a obliczona ι wartościa ι przybliżona ι 6/19

Szukamy wzoru dok ladniejszego niż dwupunktowy. Rozwińmy dok ladniej niż poprzednio f(x k+1 ) oraz f(x k 1 ): f(x k+1 ) = f(x k )+hf (x k )+ 1 2 h2 f (x k )+0(h 3 ). f(x k 1 ) = f(x k ) hf (x k )+ 1 2 h2 f (x k )+0(h 3 ). Reszty 0(h 3 ) sa ι różne (inne znaki sk ladników z nieparzystymi wyk ladnikami h). 0(h 3 ): najbardziej istotny sk ladnik reszty to sk ladnik z h 3. 7/19

Odejmujemy rozwinie ι cia stronami: f(x k+1 ) f(x k 1 ) = 2hf (x k )+0(h 3 ) reszta zawiera tylko nieparzyste pote ι gi h. Wyznaczamy f (x k ), wzór trójpunktowy f k = f k+1 f k 1 +0(h 2 ) 2h,,b la ι d jest rze ι du h 2, zmniejszenie h o po lowe ι b la ι d zmaleje czterokrotnie (10-krotne zmniejszenie h b la ι d zmaleje 100-krotnie ) reszta 0(h 2 ) zawiera tylko parzyste pote ι gi h,,trójpunktowy, bo choć korzysta sie ι tylko z wartości w x k 1 i x k+1, to obliczana wartość dotyczy punktu x k 8/19

Mamy wzór trójpunktowy f k = f k+1 f k 1 +0(h 2 ). 2h Jeśli mamy f(x) w punktach x 0, x 1,..., x N, to wzór ten możemy stosować tylko dla x 1, x 2,..., x N 1 (nie znamy f 1 ani f N+1 )). Jak oszacować f 0 i f N? użycie wzoru mniej dok ladnego, np. dwupunktowego f 0 = f 1 f 0 +0(h). h znalezienie wzoru o odpowiedniej dok ladności, uwzgle ι dniaja ι cego np. tylko prawych sa ι siadów punktu x k 9/19

Wzór trójpunktowy uwzgle ι dniaja ι cy tylko prawych sa ι siadów x k. Rozwinie ι cia f(x k+1 ) oraz f(x k+2 ): f(x k+1 ) = f(x k )+hf (x k )+ 1 2 h2 f (x k )+0(h 3 ), f(x k+2 ) = f(x k )+2hf (x k )+2h 2 f (x k )+0(h 3 ). Pierwsze rozwinie ι cie mnożymy przez (-4) i dodajemy do drugiego: f(x k+2 ) 4f(x k+1 ) = 3f(x k ) 2hf (x k )+0(h 3 ), wzór trójpunktowy, który można użyć w x 0, z b le ι dem rze ι du h 2 : f k = f k+2 +4f k+1 3f k 2h +0(h 2 ). 10/19

Wzory dok ladniejsze niż trójpunktowy: rozwinie ι cia w wie ι kszej liczbie punktów, eliminowanie sk ladników z wyższymi pochodnymi. Rozwinie ι cia f(x k+1 ), f(x k 1 ), f(x k+2 ), f(x k 2 ): f(x k+1 ) = f(x k )+hf (x k )+ 1 2 h2 f (x k )+ 1 6 h3 f (3) (x k )+ 1 24 h4 f (4) (x k )+0(h 5 ) f(x k 1 ) = f(x k ) hf (x k )+ 1 2 h2 f (x k ) 1 6 h3 f (3) (x k )+ 1 24 h4 f (4) (x k )+0(h 5 ) f(x k+2 ) = f(x k )+2hf (x k )+2h 2 f (x k )+ 4 3 h3 f (3) (x k )+ 2 3 h4 f (4) (x k )+0(h 5 ), f(x k 2 ) = f(x k ) 2hf (x k )+2h 2 f (x k ) 4 3 h3 f (3) (x k )+ 2 3 h4 f (4) (x k )+0(h 5 ), 11/19

Różnica rozwinie ι ć f(x k+1 ) i f(x k 1 ): f(x k+1 ) f(x k 1 ) = 2hf (x k )+ 1 3 h3 f (3) (x k )+0(h 5 ). Różnica rozwinie ι ć f(x k+2 ) i f(x k 2 ): f(x k+2 ) f(x k 2 ) = 4hf (x k )+ 8 3 h3 f (3) (x k )+0(h 5 ). Wyeliminujemy sk ladniki zawieraja ι ce f (3) : od drugiego równania odejmujemy pierwsze przemnożone przez (-8). 12/19

f(x k 2 ) 8f(x k 1 )+8f(x k+1 ) f(x k+2 ) = 12hf (x k )+0(h 5 ). Wzór pie ι ciopunktowy: f k = f k 2 8f k 1 +8f k+1 f k+2 +0(h 4 ). 12h Wzór bardzo dok ladny, ale nieprzydatny w x 0, x 1, x N 1 i x N. Wie ι cej rozwinie ι ć możliwość wyeliminowania wyższych pochodnych wie ι ksza dok ladność. 13/19

Jak oszacować pochodna ι drugiego rze ι du? Rozwinie ι cia f(x k+1 ), f(x k 1 ): f(x k+1 ) = f(x k )+hf (x k )+ 1 2 h2 f (x k )+ 1 6 h3 f (3) (x k )+ 1 24 h4 f (4) (x k )+0(h 5 ) f(x k 1 ) = f(x k ) hf (x k )+ 1 2 h2 f (x k ) 1 6 h3 f (3) (x k )+ 1 24 h4 f (4) (x k )+0(h 5 ) Sumujemy równania, eliminujemy f (x k ) (i inne pochodne nieparzystych rze ι dów): f(x k+1 )+f(x k 1 ) = 2f(x k )+h 2 f (x k )+0(h 4 ). Wzór trójpunktowy f k = f k+1 2f k +f k 1 h 2 +0(h 2 ). 14/19

Przyk lad Zastosujemy poznane wzory do oszacowania f (x k ) i f (x k ), dla f(x) = x 4 i x k = 1; przyjmiemy h = 0,1 oraz h = 0,05. f k = f k+1 f k h +0(h). f k = f k+1 f k 1 +0(h 2 ). 2h f k = f k 2 8f k 1 +8f k+1 f k+2 +0(h 4 ). 12h f k = f k+1 2f k +f k 1 h 2 +0(h 2 ). Wartości dok ladne: f (1) = 4, f (1) = 12 : modu l różnicy oszacowania i wartości dok ladnej. 15/19

a) h = 0,1 punkt k-2 k-1 k k+1 k+2 x 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 f(x) 0,4096 0,6561 1,0000 1,4641 2,0736 b) h = 0,05 punkt k-2 k-1 k k+1 k+2 x 0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 f(x) 0,65610000 0,81450625 1,00000000 1,21550625 1,46410000 Wartości dok ladne: f (1) = 4, f (1) = 12 : modu l różnicy oszacowania i wartości dok ladnej. 16/19

a) h = 0,1 b) h = 0,05 wzór dwupunktowy: f k = 4,641, = 0,641, wzór trójpunktowy: f k = 4,04, = 0,04, wzór pie ι ciopunktowy: f k = 4, = 0, dok ladny! wzór trójpunktowy: f k = 12,02, = 0,02; wzór dwupunktowy: f k = 4,310125, = 0,310125, wzór trójpunktowy: f k = 4,01, = 0,01, wzór pie ι ciopunktowy: f k = 4, = 0, wzór trójpunktowy: f k = 12,005, = 0,005; 17/19

c) analiza zmiany b le ι du przy dwukrotnym zmniejszeniu h wzór dwupunktowy: b la ι d zmala l oko lo 2-krotnie (ale nie dok ladnie 2-krotnie!), wzór trójpunktowy: b la ι d zmala l 4-krotnie, wzór pie ι ciopunktowy: zmala lby oko lo 16-krotnie, wzór trójpunktowy: b la ι d zmala l 4-krotnie. 18/19

Odpowiedz na pytanie Omów numeryczne obliczanie pierwszej pochodnej danej funkcji (wzór dwupunktowy, trójpunktowy, pie ι ciopunktowy, dok ladność). Omów numeryczne obliczanie drugiej pochodnej danej funkcji (wzór trójpunktowy, dok ladność). 19/19