Całkowanie numeryczne

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

II. RÓŻNICZKOWANIE I CAŁKOWANIE NUMERYCZNE Janusz Adamowski

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

x y

Całka nieoznaczona, podstawowe wiadomości

Metody przybliżonego rozwiązywania równań różniczkowych zwyczajnych

Numeryczne rozwiązywanie równań różniczkowych ( )

W celu obliczenia charakterystyki częstotliwościowej zastosujemy wzór 1. charakterystyka amplitudowa 0,

Różniczkowanie numeryczne

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 2

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

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

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

TEORIA OBWODÓW I SYGNAŁÓW LABORATORIUM

Dystrybucje, wiadomości wstępne (I)

INFORMATYKA ELEMENTY METOD NUMERYCZNYCH.

Przekształcenie Z. Krzysztof Patan

Analiza matematyczna dla informatyków 3 Zajęcia 14

WYKŁADY Z MATEMATYKI DLA STUDENTÓW UCZELNI EKONOMICZNYCH

Metody numeryczne w przykładach

Wprowadzenie do metod numerycznych Wykład 9 Różniczkowanie numeryczne

y i b) metoda różnic skończonych nadal problem nieliniowy 2 go rzędu z warunkiem Dirichleta

Pochodna funkcji jednej zmiennej

Rozwiązywanie równań nieliniowych

Rozwiązywanie równań nieliniowych i ich układów. Wyznaczanie zer wielomianów.

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

Procedura modelowania matematycznego

Równanie przewodnictwa cieplnego (I)

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

Laboratorium II: Modelowanie procesów fizycznych Skrypt do ćwiczeń

Równania różniczkowe metody numeryczne

Lista zadań nr 2 z Matematyki II

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

Przyjmuje się umowę, że:

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

METODY MATEMATYCZNE I STATYSTYCZNE W INŻYNIERII CHEMICZNEJ

Metody numeryczne rozwiązywania równań różniczkowych

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

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

Rachunek różniczkowy i całkowy 2016/17

Całkowanie numeryczne przy użyciu kwadratur

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

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

Analiza numeryczna kolokwium2a-15grudnia2005

PODSTAWY METROLOGII ĆWICZENIE 6 POJEMNOŚĆ Międzywydziałowa Szkoła Inżynierii Biomedycznej 2009/2010 SEMESTR 3

Matematyka dla studentów ekonomii : wykłady z ćwiczeniami/ Ryszard Antoniewicz, Andrzej Misztal. Wyd. 4 popr., 6 dodr. Warszawa, 2012.

WYMAGANIA DOTYCZĄCE ZALICZENIA ZAJĘĆ

Elementy rachunku różniczkowego i całkowego

Politechnika Wrocławska, Wydział Informatyki i Zarządzania. Modelowanie

INTERPOLACJA I APROKSYMACJA FUNKCJI

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

Systemy. Krzysztof Patan

ZASTOSOWANIE RACHUNKU OPERATORÓW MIKUS- IŃSKIEGO W PEWNYCH ZAGADNIENIACH DYNAMIKI KONSTRUKCJI

Czym jest całka? Całkowanie numeryczne

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

1 Równania różniczkowe zwyczajne o rozdzielonych zmiennych

2.1. Postać algebraiczna liczb zespolonych Postać trygonometryczna liczb zespolonych... 26

Interpolacja i modelowanie krzywych 2D i 3D

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE

OBLICZANIE POCHODNYCH FUNKCJI.

ANALIZA MATEMATYCZNA

Wielomiany Legendre a

Spis treści. Rozdział I. Wstęp do matematyki Rozdział II. Ciągi i szeregi... 44

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

Zadania zaliczeniowe z Automatyki i Robotyki dla studentów III roku Inżynierii Biomedycznej Politechniki Lubelskiej

Zaawansowane metody numeryczne Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 4. Równania różniczkowe zwyczajne podstawy teoretyczne

Inżynierskie metody analizy numerycznej i planowanie eksperymentu / Ireneusz Czajka, Andrzej Gołaś. Kraków, Spis treści

ROZWIĄZANIA I ODPOWIEDZI

Matematyka dyskretna. Andrzej Łachwa, UJ, /15

Wyprowadzenie wzoru na krzywą łańcuchową

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania. Podstawy Automatyki

Metody numeryczne. Sformułowanie zagadnienia interpolacji

Interpolacja. Interpolacja wykorzystująca wielomian Newtona

Interpolacja, aproksymacja całkowanie. Interpolacja Krzywa przechodzi przez punkty kontrolne

Rozdział XV CAŁKI KRZYWOLINIOWE. CAŁKA STIELTJESA

Równania różniczkowe cząstkowe drugiego rzędu

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

Kubatury Gaussa (całka podwójna po trójkącie)

przy warunkach początkowych: 0 = 0, 0 = 0

Wykład Matematyka A, I rok, egzamin ustny w sem. letnim r. ak. 2002/2003. Każdy zdający losuje jedno pytanie teoretyczne i jedno praktyczne.

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

CHARAKTERYSTYKI CZĘSTOTLIWOŚCIOWE

Bardzo łatwa lista powtórkowa

Metody numeryczne równań różniczkowych zwyczajnych

TEORIA OBWODÓW I SYGNAŁÓW LABORATORIUM

Całki krzywoliniowe. SNM - Elementy analizy wektorowej - 1

Funkcje wymierne. Jerzy Rutkowski. Działania dodawania i mnożenia funkcji wymiernych określa się wzorami: g h + k l g h k.

Maciej Grzesiak Instytut Matematyki Politechniki Poznańskiej. Całki nieoznaczone

Matematyki i Nauk Informacyjnych, Zakład Procesów Stochastycznych i Matematyki Finansowej B. Ogólna charakterystyka przedmiotu

PORÓWNANIE WYBRANYCH SCHEMATÓW RÓŻNICO- WYCH NA PRZYKŁADZIE RÓWNANIA SELECTED DIFFERENTIAL SCHEMES COMPARISON BY MEANS OF THE EQUATION

Rachunek całkowy - całka oznaczona

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

Wymagania edukacyjne z matematyki klasa IV technikum

Teoria sterowania - studia niestacjonarne AiR 2 stopień

Lista 1 - Funkcje elementarne

Ciągi liczbowe wykład 3

Metody numeryczne. materiały do wykładu dla studentów

2. ZASTOSOWANIA POCHODNYCH. (a) f(x) = ln 3 x ln x, (b) f(x) = e2x x 2 2.

METODY ROZWIĄZYWANIA RÓWNAŃ NIELINIOWYCH

Pochodną funkcji w punkcie (ozn. ) nazywamy granicę ilorazu różnicowego:

Transkrypt:

Całkowanie numeryczne Poniżej omówione zostanie kilka metod przybliżania operacji całkowania i różniczkowania w szczególności uzależnieniu pochodnej od jej różnic skończonych gdy równanie różniczkowe mamy zapisane formie transmitancyjnej wykorzystywanych w dyskretyzacji funkcji ciągłych. Innymi słowy będzie nas interesowało całkowanie rekurencyjne - co jak się przekonamy ma związek z typowym liczeniem całki w myśl definicji - jako pola pod krzywą. Zanim jednak przejdę do omówienia powyższych zagadnień przypomnę podstawowe metody całkowania ( Rozwiązywania równań różniczkowych ) w oparciu o rozwinięcie w szereg Taylora. Aproksymowanie różniczki rozwinięciem w szereg Taylora : (1) Jeżeli przybliżymy rozwinięcie do pierwszej pochodnej otrzymamy zależność typowa dla metody Eulera:! Różniczkę 2 rzędu możemy przybliżyć : (2) (3) 1 2 1 2 ą żść 3 gdzie jest dowolnie małym przedziałem ( krokiem) zmiennej. Ł. Szydłowski Modelowanie i symulacja 1

Prosta metoda Eulera całkowanie prostokątami - wyznaczenie zależności rekurencyjnej Chcemy policzyć całkę funkcji g(t). W myśl definicji mamy: (4) Powyższą zależność możemy przedstawić jako: t t Gdzie t oraz możemy zapisać jako : t Otrzymujemy: t t t (5) Czyli pole pod krzywą aproksymujemy prostokątami. Im przedział t ( często zapisuje się t jako h ) jest mniejszy tym aproksymacja jest dokładniejsza. Zapiszmy zależność (5) w następujący sposób t t t t t 1 t t (6) `Zauważmy,że t t 1 t zatem otrzymujemy: t 1 t 1 t t (7) Dla uroszczenia zapisu możemy zależność (7) zapisać w następującej formie dla dowolnej chwili czasowej ( t ; k 1 k 1 t : 1 1 t (8) Ponieważ zależność jest prawdziwa dla dowolnej chwili czasowej - możemy również zapisać: 1 t (9) Porównajmy teraz otrzymaną zależność z zależnością (1).Dla rozwinięcia w szereg Taylora do pierwszej pochodnej otrzymujemy właśnie zależność (9) czyli całkowanie metodą prostokątów. Ponieważ To podstawiając do (9)i porządkując otrzymujemy: (10) Porównując z (2) widzimy ze otrzymaliśmy taką samą zależność. Ł. Szydłowski Modelowanie i symulacja 2

Postępując analogicznie możemy wyznaczyć wzory rekurencyjne dla metody prostokątów w przód jak i trapezów. Zamiast je wyprowadzać w ten sposób wyprowadzimy je wykorzystując metody wyznaczania postaci różnicowej i dyskretyzacji równań i przedstawimy je w dziedzinie operatorowej. Metoda prostokątów w przód - Pochodną ciągłą możemy jak już wcześniej udowodniliśmy przybliżyć ilorazem różnicowym (11) Przeprowadzają przekształcenie Laplace a lewej strony o przekształcenie Z prawej strony otrzymujemy opis w dziedzinie operatorowej Stąd: (12) Tp okres próbkowania z -operator opóźnienia kwantu czasu (odpowiada to róŝniczkowaniu ) Metoda prostokątów w tył - Pochodną ciągłą możemy również przybliżyć następującym ilorazem różnicowym: Postępując jak wyżej: (13) 1 (14) Metoda trapezów ( Tustina) Wiadomo,że : zatem : ln Funkcję logarytmiczną można rozwinąć w szereg potęgowy : ln (15) Jeżeli uwzględnimy tylko pierwszy wyraz szeregu otrzymamy: (16) Ł. Szydłowski Modelowanie i symulacja 3

Przykład 1 Rozpatrzmy układ ładowania kondensatora ze źródła E w szeregowym obwodzie RC bez warunków początkowych (kondensator jest rozładowany) Z prawa Kirchhoffa mamy: Gdzie : czyli możemy zapisać Podstawiając do równania: Aproksymując metodą Eulera (prostokątów w przód) zgodnie z (2) 1 Czyli postać różnicowa wynosi: 1 Wyznaczamy 1 : Korzystając z metody prostokątów w przód wykorzystując przekształcenie Laplace a otrzymamy taki sam wynik. Dla metody prostokątów do tyłu otrzymamy: Postać różnicowa - dyskretyzacja / Dla metody Tustina ( trapezami) otrzymamy: / Ł. Szydłowski Modelowanie i symulacja 4

Jak widać dla różnych metod interpolacyjnych otrzymaliśmy różne algorytmy. Zaletą całkowania metodą prostokątów (interpolacji) jest prostota zaś wadą jest mała dokładność prostokąty niezbyt dobrze przybliżają wielomian. Jednak stosując mały podział wartości zmiennej (okres próbkowania ) oraz stosując do równań różniczkowych małych rzędów ( gdzie występują różniczki pierwszego lub drugiego rzędu) metoda jest wystarczająca. Stosowanie metody trapezów pozwala na aproksymację funkcjami liniowymi co w porównaniu z metodą prostokątów lepiej przybliża wielomian i wprowadza o wiele mniejsze błędy. Ł. Szydłowski Modelowanie i symulacja 5