计算方法 第2章 数值微分与数值积分 2.1 数值微分
第2章 数值微分与数值积分 2.1 数值微分 2.2 数值积分 2.3 复化数值积分 2.4 Romberg算法 2.5* Gauss型积分
本章要点 商 等距节点下的:Newton-Cotes公式和Romberg公式 本章作业 P68 1 2 5 8 9
2.1 数值微分 先看一个实例: 已知20世纪美国人口的统计数据为(单位:百万) 试计算美国20世纪的年增长率 2.1 数值微分 先看一个实例: 已知20世纪美国人口的统计数据为(单位:百万) 年份 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 人口 76.0 92.0 106.5 123.2 131.7 150.7 179.3 204.0 226.5 251.4 试计算美国20世纪的年增长率
表示的,用通常的导数定义无法求导,因此要寻求其他 方法近似求导。常用的数值微分方法有: 在实际问题中,往往会遇到某函数f(x) 是用表格 表示的,用通常的导数定义无法求导,因此要寻求其他 方法近似求导。常用的数值微分方法有: 一. 运用差商求数值微分 运用插值函数求数值微分 三. 运用样条插值函数求数值微分 四. 运用数值积分求数值微分
一. 运用差商求数值微分 最简单直接的数值微分方法就是用差商代替微商.
向前差商 由Taylor展开 因此,有误差
向后差商 由Taylor展开 因此,有误差
中心差商 由Taylor展开 因此,有误差
由误差表达式,h越小,误差越小,但同时舍入 误差增大,所以,有个最佳步长 我们可以用事后误差估计的方法来确定 设D(h),D(h/2)分别为步长为h,h/2的差商公式。则 时的步长h/2就是合适的步长
例: f(x)=exp(x) h f’(1.15) R(x) 0.10 3.1630 -0.0048 0.05 3.1590 -0.0008 0.09 3.1622 -0.0040 0.04 3.1588 -0.0006 0.08 3.1613 -0.0031 0.03 3.1583 -0.0001 0.07 3.1607 -0.0025 0.02 3.1575 -0.0007 0.06 3.1600 -0.0018 0.01 3.1550 -0.0032
二、插值型求导公式 --------(1)
对(1)式两边求导,有 --------(2)
由于公式(2)采取的是n次Lagrange插值多项式, 而高次插值会产生Runge现象,因此实际应用中 多采用低次插值型求导公式 --------(2) --------(3) (2)式称为插值型求导公式, (3)式为相应产生的误差 由于公式(2)采取的是n次Lagrange插值多项式, 而高次插值会产生Runge现象,因此实际应用中 多采用低次插值型求导公式
低阶插值型求导公式 1.两点公式
--------(4) --------(5) (4)(5)式称为带余项的两点求导公式 精度1阶 即
2.三点公式
其中(7)式又称为中点公式,其精度稍高 --------(6) --------(7) --------(8) (6)(7)(8)式称为带余项的三点求导公式 其中(7)式又称为中点公式,其精度稍高 精度2阶 在分段求导公式中有着重要的地位
*3.五点公式 --------(9)
组(9)称为带余项的五点求导公式 精度4阶 并且当步长h越小时,误差会越小 但是不是h越小公式越好呢? 综合考虑上述三种公式,可知五点公式的精度最高 并且当步长h越小时,误差会越小 但是不是h越小公式越好呢?
先用精度较高的分段五点公式求出节点处的导数值 例: 回到实例(美国人口) 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 76.0 92.0 106.5 123.2 131.7 150.7 179.3 204.0 226.5 251.4 解: 则 求增长率必须先求导数 先用精度较高的分段五点公式求出节点处的导数值 x'=2.1508 1.3458 1.6158 1.1908 1.2267 2.5000 2.7633 2.3075 2.2692 2.8358 r=dx/dt/x =0.0283 0.0146 0.0152 0.0097 0.0093 0.0166 0.0154 0.0113 0.0100 0.0113
三、样条求导公式 Lagrange插值型求导公式构造比较简单 但由于误差的原因,只能求出节点处的导数 其缺点显而易见 --------(13)
Hermite 插值
从而 ---------(18) ---------(19) 样条求导公式的优点: 可以求非节点处的1~2阶导数 精度较高 样条求导公式的缺点: 要求预知边界条件 比较复杂 要解三对角方程组
四. 运用数值积分求数值微分
得到
解:将数值积分公式代入