Чисельні методи

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку

Числові́ ме́тоди[1][2] (також числови́й ана́ліз) — методи наближеного або точного розв'язування задач чистої або прикладної математики, які ґрунтуються на побудові послідовності дій над скінченною множиною чи́сел. Основні вимоги до числових методів, щоб вони були стійкими та збіжними.

Класи задач, що розв'язують за допомогою числових методів[ред. | ред. код]

  • розв'язок лінійних та нелінійних рівнянь та їх систем
  • інтерполяція та апроксимація функцій
  • числове інтегрування та обчислення похідної
  • числовий розв'язок диференціальних рівнянь та систем
  • числовий розв'язок диференціальних рівнянь в частинних похідних та їх систем
  • числовий розв'язок інтегральних рівнянь
  • задачі оптимізації

Історія розвинення[ред. | ред. код]

Числові методи використовувалися ще за часів Ньютона (1642–1727) для розв'язання задач з астрономії, геодезії та обчислення механічних конструкцій. На той час обчислення з використовуванням чисельних методів виконувалися з доволі високою точністю (до восьми знаків після коми). Наприклад, французький математик і астроном Урбен Левер'є(1811 — 1878 рр.), уточнюючи траєкторію руху планети Уран, виявив відхилення від розрахованої траєкторії. Він припустив, що ці відхилення спричиняє інша планета, яка до того не спостерігалась астрономами. Використовуючи числові методи, він за півроку обчислив масу і орбіту невідомої планети, що справляє дію на Уран і виводить планету із рівноваги. Один примірник своїх розрахунків Левер'є відразу ж послав Йогану Галле з Берлінської обсерваторії[en], який отримавши лист 23 вересня 1846 року, негайно почав спостереження і в ту ж ніч дуже близько від місця, вказаного Левер'є, знайшов невідому планету, яку пізніше назвали Нептуном.

Основні види числових методів[ред. | ред. код]

Статистична обробка експериментальних даних зазвичай ґрунтується на граничних теоремах теорії ймовірностей та вимагає обчислення оцінок в порівнянні з простими формулами. Однак для підвищення якості оцінок необхідна велика кількість даних, і обсяг обчислень може виявитися дуже великим. Тому числові методи тут націлені на скорочення обсягу обчислень при збереженні якості результатів. Найефективнішими числовими методами в цій галузі є методи, які застосовують швидке перетворення Фур'є.

Для розв'язання задач апроксимації та обчислення функцій різних класів застосовують числові методи інтерполювання, найменших квадратів, ортогоналізації, врівноваження значень, умовної мінімізації та ін. Найактуальнішими є методи кусково-многочленної та раціональної сплайнової апроксимації, а також адаптивної апроксимації та нелінійної за параметром апроксимації.

Числове інтегрування та диференціювання здійснюється на основі означення відповідних операцій, однак через необхідність економії обсягу обчислень та некоректність задачі диференціювання розроблено велику кількість чисельних методів для різних класів функцій та різного роду вихідних даних.

Основою числових методів розв'язання багатьох класів рівнянь є дискретизація задачі з наступним зведенням отриманих, загалом кажучи, нелінійних рівнянь до послідовності систем алгебраїчних рівнянь. У зв'язку з цим числові методи можна поділити за способом дискретизації на проекційні, скінченно-різницеві та проекційно-різницеві, а за способом розв'язання лінійної системи — на прямі, ітераційні та комбіновані методи.

  • При ітераційних методах можна віднайти розв'язок задачі, використовуючи низку формул, де кожний новий уточнений наближений розв'язок обчислюється через попередній , тобто ). Ітераційний процес пошуку наближеного розв'язку завершується тоді, коли виконається умова

,

де  — номер ітерації ().

Розв'язання різних класів рівнянь та багатьох інших задач зводиться до задач мінімізації функцій та функціоналів за наявності або відсутності обмежень. числові методи розв'язання задач мінімізації випливають із різних ідей швидкого спуску поверхнею, яка відповідає мінімізованій функції. До них належать методи швидкого спуску, градієнтного, загального градієнтного та найшвидшого спуску, методів можливих та спряжених напрямів і т. д.

Характеристики числових методів[ред. | ред. код]

Для оцінки числових методів, вводять такі їх основні характеристики:

  • трудомісткість;
  • порядок методу;
  • збіжність;
  • швидкість збіжності;
  • стійкість до похибок обчислень;
  • стійкість до похибок вихідних даних.

Трудомісткість[ред. | ред. код]

Трудомісткість методу оцінюється кількістю та якістю обчислень, необхідних для досягнення достатньо близького наближення розв'язку задачі.

Порядок методу[ред. | ред. код]

Порядок методу — вимоги до знань про функції, що входять у математичне формулювання задачі (наприклад, використання в методі похідних цих функцій):

  • метод нульового порядку — використовує тільки значення цих функцій;
  • метод першого порядку — використовує значення функцій і їх перших похідних;
  • метод другого порядку — використовує значення і функцій та їх перших і других похідних і т. д.

Збіжність методу[ред. | ред. код]

Числовий метод називається таким, що збігається, якщо наближення прямує до розв'язку зі збільшенням .

Основні швидкості збіжності методів:

1. Лінійна збіжність. Послідовність збігається до розв'язку лінійно (або із швидкістю геометричної прогресії), якщо існують числа і такі, що

для всіх .

Тут норма означає відстань між і .

2. Надлінійна збіжність. Послідовність збігається до розв'язку надлінійно, якщо існує послідовність для всіх , така, що

і при .

3. Квадратична збіжність. Послідовність збігається до розв'язку квадратично, якщо існують числа і такі, що

для всіх .

Стійкість до похибок обчислень[ред. | ред. код]

Стійкість до похибок обчислень характеризує чисельний метод, застосування якого приводить до розв'язку задачі, незважаючи на помилки округлень і обчислень. Для цього в чисельних методах, якщо потрібно, передбачаються додаткові операції, що не змінюють суть методу, але забезпечують його стійкість до помилок обчислень.

Стійкість до похибок вихідних даних[ред. | ред. код]

Стійкість до похибок вихідних даних — характеристика чисельного методу, що при невеликих похибках вихідних даних забезпечує отримання наближеного розв'язку задачі з незначною похибкою. Стійкість до похибок вихідних даних досягається, як правило, шляхом модифікації чисельного методу, тобто внесенням змін до суті методу.

Стійкі та збіжні числові методи[ред. | ред. код]

Числові методи називаються стійкими, якщо результати неперервно залежать від вихідних даних задачі або якщо похибка округлення, пов'язана з реалізацією чисельних методів на ЕОМ, залишається обмеженою при заданих межах зміни параметрів.

Числові методи називаються збіжними, якщо результати прямують до точного розв'язку задачі при прямуванні параметрів чисельних методів до певних граничних значень.

Основне питання теорії числових методів: створення методів, які задовольняють вимоги високої точності, стійкості та економічності. Розробка чисельних методів, що задовольняють ці вимоги, є складною задачею оптимізації цих методів.

Див. також[ред. | ред. код]

Обчислювальна математика

Примітки[ред. | ред. код]

  1. Російсько-український словник наукової термінології: Математика. Фізика. Техніка. Науки про Землю та Космос / НАН України. Комітет наукової термінології; Інститут мовознавства ім. О. О. Потебні / Гейченко В. В., Завірюхіна В. М., Зеленюк О. О., Коломієць В. Г., Кратко М. І. Ред. Митропольський Ю. О. — К.: Наук. думка, 1998. — 888 с., C. 330. — ISBN 5-12-004273-2.
  2. Вступ до числових методів : Навч. посіб. для вищ. закл. освіти / П. І. Каленюк, В. А. Бакалець, І. І. Бакалець, Н. В. Горбачова, П. Л. Сохан; Держ. ун-т "Львів. політехніка". - Л., 2000. - 145 c. - (Математика для інженерів). - Бібліогр.: 20 назв.

Посилання[ред. | ред. код]

Література[ред. | ред. код]

  • Вступ до числових методів : Навч. посіб. для вищ. закл. освіти / П. І. Каленюк, В. А. Бакалець, І. І. Бакалець, Н. В. Горбачова, П. Л. Сохан; Держ. ун-т "Львів. політехніка". - Л., 2000. - 145 c. - (Математика для інженерів). - Бібліогр.: 20 назв.
  • Чисельні методи : [навч. посіб.] / М. В. Кутнів. – Л. : Вид-во "Растр-7", 2010. – 288 с. – Бібліогр.: с. 285-286 (23 назви). – ISBN 978-966-2004-44-1
  • Чисельні методи : Підруч. для студ. вищ. навч. закл. / Г. Г. Цегелик; Львів. нац. ун-т ім. І.Франка. - Л., 2004. - 407 c. - Бібліогр.: 32 назв.
  • Фельдман Л. П., Петренко А. І., Дмитрієва О. А. Чисельні методи в інформатиці. — К.: Видавнича група BHV, 2006. — 480 c.
  • Бахвалов Н. С., Жидков Н. П., Кобельков Г. М. Численные методы: Учеб. пособие. — М.: Наука, 1987. — 600с.
  • Гулин И. А., Самарский А. А. Численные методы. М.: Наука, 1989. — 432 с.
  • Иванов В. В. Методы вычислений на ЭВМ: Справочное пособие / В. В. Иванов — К.: Наукова думка, 1986. — 564 с.