научная статья по теме О НЕУСТОЙЧИВОСТИ ПОРЯДКА СИММЕТРИЧНЫХ ФОРМУЛ ЧИСЛЕННОГО ДИФФЕРЕНЦИРОВАНИЯ И ИНТЕГРИРОВАНИЯ Математика

Текст научной статьи на тему «О НЕУСТОЙЧИВОСТИ ПОРЯДКА СИММЕТРИЧНЫХ ФОРМУЛ ЧИСЛЕННОГО ДИФФЕРЕНЦИРОВАНИЯ И ИНТЕГРИРОВАНИЯ»

ЖУРНАЛ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАТЕМАТИКИ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ, 2015, том 55, № 6, с. 928-932

УДК 519.653

О НЕУСТОЙЧИВОСТИ ПОРЯДКА СИММЕТРИЧНЫХ ФОРМУЛ ЧИСЛЕННОГО ДИФФЕРЕНЦИРОВАНИЯ И ИНТЕГРИРОВАНИЯ

© 2015 г. В. М. Вержбицкий

(426069 Ижевск, ул. Студенческая, 7, ИжГТУ) Поступила в редакцию 29.07.2014 г.

Рассматривается вопрос об устойчивости порядка симметричных формул аппроксимации производных, применяемых в конечноразностных методах решения дифференциальных уравнений. Вводится определение устойчивости порядка формулы численного дифференцирования в процессе смещения точки, в которой она используется. Описываются условия и приводятся некоторые результаты вычислительных экспериментов по выявлению характера поведения порядка простейших симметричных формул аппроксимации первых и вторых производных в указанном процессе. На примерах показывается неустойчивость максимального порядка этих формул. Аналогично исследуется семейство квадратурных формул прямоугольников и демонстрируется неустойчивость второго порядка квадратурной формулы средней точки. Библ. 2. Табл. 7.

Ключевые слова: численное дифференцирование, аппроксимация производной, квадратурная формула прямоугольников, порядок остаточного члена, устойчивость порядка формулы.

БО1: 10.7868/80044466915060149

При построении конечноразностных методов решения граничных задач для дифференциальных уравнений на системах равноотстоящих узлов с шагом Н важная роль отводится симметричным формулам аппроксимации производных. Типичным примером может служить широко известная схема Кранка—Николсон — частный случай семейства разностных схем с весами а е [0,1], который выделяется заданием значения ст = 0.5, обеспечивающего второй порядок аппроксимации уравнения теплопроводности по временной переменной (см. [1], [2]). Именно при этом значении параметра а производная по времени аппроксимируется симметричным разностным отношением с остаточным членом, имеющим порядок квадрата шага.

Рассмотрим сначала вопрос об устойчивости остаточного члена формулы симметричной аппроксимации производной.

Определение 1. Остаточный член г0(к) приближенной формулы /(к)(х0) ~ у0Хк) называется устойчивым в точке х0, если

ф,5):= /(%0 + 5) - у0к)(Л) т. (1)

Непосредственно из (1) видно, что для устойчивости остаточного члена приближенной формулы / (к)(х0) ~ у^Хк) достаточно непрерывности в окрестности точки х0 самой к-й производной. Следовательно, для представляющего особый интерес остаточного члена формулы симметричной аппроксимации первой производной, имеющего вид

т : = /(х) - /(Х0 + к- /(х0 - к) = -^0)

2к 6

(в предположении, что /(х) е С (х0 - к, х0 + к)), устойчивость имеет место.

Теперь зададимся вопросом, что можно сказать о порядке остаточного члена, если формула симметричной аппроксимации в точке х0 применяется для приближенного вычисления производной в близкой к х0 точке х0 + 5. Будет ли порядок устойчив?

Для ответа на этот вопрос откажемся от привычного представления о порядке аппроксимации как о целой величине и дадим следующее

Определение 2. Пусть к -я производная функции /(х) при малых к > 0 аппроксимируется в точке х0 значением у0(к)(К), причем имеет место равенство /^к)(х0) = у0\к) + С0(к)кр0, где р0 > 1 — не зависящая от к постоянная. Порядок аппроксимации р0 назовем устойчивым в точке х0, если остаточный член в приближенном равенстве /^(х) ~ у^)(к) при любом х е (х0 - к, х0 + к) имеет вид С(х, к)кр(х), где |С(х, к)| < да и р(х) ^ р0 при к ^ 0.

Определение 3. Порядок аппроксимации р0 назовем устойчивым на отрезке [а, Ь], если он устойчив в любой точке х е (а, Ь).

Не имея подходящего аппарата для проведения аналитического исследования поставленной задачи, представим некоторые результаты вычислительных экспериментов.

Для выявления поведения порядка симметричной формулы аппроксимации первой производной

у < (к) = /х + к) - /(х0 - к) 2к

в процессе смещения точки применения этой формулы из позиции х0 в позицию х0 +8 эксперименты организованы следующим образом.

У заданной функции/(х) в заданной точке х0 вычисляем значения у'0(к1), у'0(к2),..., у'0(к„) на некоторой системе шагов к1, к2, ..., кп, уменьшающихся по правилу к = ук{-1 с у е (0,1). Согласно теории при к ^ 0 в случае непрерывности /'"(х) при х е (х0 - кх, х0 + к1) величины г0(к¡) := / '(х0) - у'(>(к1) должны стремиться к нулю по закону С(к(. Полагая, что имеет место функциональная связь вида г0(к) = Ск^, на основе множества вычисленных значений г0(кг) методом наименьших квадратов находим значения параметров С0 и р0. Убедившись, что значение р0 = 2 достаточно четко определяется при варьировании значений п е N и у е (0,1), приступаем к следующему этапу.

Закладываем процесс смещения точки из позиции х 0 в позиции х0 + 5 ], в которых вычисляются значения производной, т.е. для которых считается /'(х0 + 5¡) ~ у0(к). Значения смещения 5]

связываем с величиной шага аппроксимации: 5, := , где I е N — варьируемый параметр, а

I

]придаются значения 0,1,..., I. Вычисляя значения г](к) := /'(х0 + §у-) - у'0(к1), получаем статистику поведения остаточного члена при использовании одних и тех же значений, находимых по формуле симметричной аппроксимации, для приближения производной в смещенных (в пределах шага к) точках. К полученным данным применяем метод наименьших квадратов для нахождения при каждом ] параметров С } и р] в предполагаемой функциональной зависимости вида

г (к) = Скр.

Хорошо известно, насколько существенную роль в образовании полной погрешности результата численного дифференцирования играют погрешности, содержащиеся в значениях функции. Например, для рассматриваемого случая симметричной аппроксимации первой

8 М 2

производной в точке х0 полная погрешность оценивается величиной g(к)::--+--к , где

к 6

М : = тах |/"'(х)|, а е — уровень абсолютных погрешностей используемых значений функ-

х^[ж0-к, х01+к]

ции /(х) (см. [2, с. 527]). Чтобы устранить влияние этих погрешностей на результаты численных экспериментов, для значений функции применялись числа типа шр!7 из библиотеки GMP с точностью до 1000 знаков. Эксперименты проводились со степенными функциями с целыми и с дробными показателями.

Ниже приводятся некоторые численные результаты.

В табл. 1 и 2 для двух функций показывается, насколько точно определяется значение порядка р0 при различных сочетаниях параметров численного эксперимента.

Таблица 1

й0 = 0.1 у = 0.5 и = 7 и = 100 р = 2.0000203565 р = 2.0000001261

/(X) = X5, у = 0.1 и = 7 и = 100 р = 2.0000052045 р = 2.0000000289

Х0 = 3 й0 = 0.001 у = 0.5 и = 7 и = 100 р = 2.0000000020 р = 2.0000000000

у = 0.1 и = 7 и = 100 р = 2.0000000005 р = 2.0000000000

Таблица 2

й0 = 0.1 у = 0.5 и = 7 и = 100 р = 2.0000890964 р = 2.0000005519

/X) = 4х, у = 0.1 и = 7 и = 100 р = 2.0000227804 р = 2.0000001267

Х0 = 3 й0 = 0.001 у = 0.5 и = 7 и = 100 р = 2.0000000089 р = 2.0000000001

у = 0.1 и = 7 и = 100 р = 2.0000000023 р = 2.0000000000

Таблица 3

У /X) = X5, Х0 = 3 /(X) = X5, X,) = -3 /(X) = 4х, Xo = 3

РУ РУ ру

0 0 2.0000000000 2.0000000000 2.0000000000

1 0.0001 0.9999995373 1.0000004621 1.0000002311

2 0.0002 0.9999997902 1.0000002097 1.0000001049

3 0.0003 0.9999998840 1.0000001160 1.0000000580

4 0.0004 0.9999999380 1.0000000620 1.0000000310

5 0.0005 0.9999999762 1.0000000238 1.0000000119

6 0.0006 1.0000000064 0.9999999937 0.9999999968

7 0.0007 1.0000000320 0.9999999680 0.9999999840

8 0.0008 1.0000000548 0.9999999452 0.9999999726

9 0.0009 1.0000000758 0.9999999243 0.9999999621

10 0.001 1.0000000954 0.9999999047 0.9999999523

Табл. 3 показывает динамику изменения порядка при смещении точки, к которой применяется формула симметричной аппроксимации производной при следующих значениях параметров: Н0 = 0.001, у = 0.1, и = 100, I = 10.

Такая динамика сохраняется и при более мелком шаге смещения 5 ]. Например, при I = 100 и тех же значениях Н0 = 0.001, у = 0.1, и = 100 в точке х0 + 81 = 3.00001 для функции /(х) = х5 получаем р = 0.9999951979, для функции /(х) = л/Х получаем р = 1.0000023738. Налицо резкий, скачкообразный сброс значения показателя порядка симметричной формулы с максимального на минимальный, говорящий о его неустойчивости.

Таблица 4

У $ /(х) = х5, х0 = 3 /х) = х5, Х0 = -3 /х) = 4х, х0 = 3

Р Р Р

0 0 2.0000000000 2.0000000000 2.0000000000

1 0.0001 0.9999846964 1.0000001493 1.0000001867

2 0.0002 0.9999939069 1.0000000604 1.0000000755

3 0.0003 0.9999975628 1.0000000244 1.0000000305

4 0.0004 0.9999998565 1.0000000016 1.0000000020

5 0.0005 1.0000016090 0.9999999841 0.9999999801

6 0.0006 1.0000030915 0.9999999693 0.9999999616

7 0.0007 1.0000044198 0.9999999560 0.9999999450

8 0.0008 1.0000056515 0.9999999436 0.9999999295

9 0.0009 1.0000068186 0.9999999319 0.9999999148

10 0.001 1.0000079402 0.9999999205 0.9999999007

Таблица 5

/(х) ] 0 1 2 3 10

$ 0 0.0000001 0.0000002 0.0000003 0.0000001

х5 г(к) -9.0е- 011 5.4е-005 1.1е—004 1.62е-004 5.4е-004

4х г(к) -4.0е- 015 -4.8е-009 -9.6е-009 -1.4е-008 -4.8е-008

Проведенные в тех же описанных выше условиях эксперименты с симметричной формулой аппроксимации второй производной второго порядка

у'Х) = /(*0 - к) - 2ДХо) + Д*0 + к) - к^у к2 12

приводят к совершенно аналогичным результатам, частично отраженным в табл. 4.

Заметим, что в каждом из многочисленных экспериментов с применением симметричных формул аппроксимации первой и второй производных наблюдалось монотонное изменение значений Су, подсчитываемых наряду со значениями ру в процессе увеличения величины смещения 5у из точки х0. Это можно расценивать как аргумент в пользу выполнимости фигурирующего в

определении 2 предположения о сохранении вида зависимости С(х, к)крх) для выражения остаточного члена при использовании симметричных формул в смещенных точках.

Скачкообразное снижение порядка симметричной формулы аппроксимации производных можно связать с соответствующим поведением ошибки аппроксимации при смещении точки, в которой она используется. Типичный пример такого поведения величины г (К) := у (х0 + 5) - у '(к) в точке х0 = 3 при к = 0.000001 показан в табл. 5.

При просмот

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком