数值分析方法.ppt

改进的欧拉格式为：第28页,共28页，星期六，2024年，5月*?2009,HenanPolytechnicUniversity*§2Euler方法第五章常微分方程数值解法**?2009,HenanPolytechnicUniversity*§2Euler方法第五章常微分方程数值解法*数值分析方法5.2.1.Euler方法设节点为xk=x0+kh(h=(b-a)/nk=0,1,…n)方法一泰勒展开法（将y(xk+1)在xk泰勒展开得）则可得：第2页,共28页，星期六，2024年，5月方法二数值微分法（用向前差商近似导数）第3页,共28页，星期六，2024年，5月方法三数值积分法第4页,共28页，星期六，2024年，5月依上述公式逐次计算可得：也称Euler为单步法，又称为显格式的单步法。第5页,共28页，星期六，2024年，5月2欧拉法的几何意义：也称欧拉折线法.从上述几何意义上得知，由Euler法所得的折线明显偏离了积分曲线，可见此方法非常粗糙。第6页,共28页，星期六，2024年，5月3.欧拉法的局部截断误差：定义在假设yi=y(xi)，即第i步计算是精确的前提下，考虑的截断误差Ri=y(xi+1)?yi+1称为局部截断误差定义若某算法的局部截断误差为O(hp+1)，则称该算法有p阶精度。第7页,共28页，星期六，2024年，5月欧拉法的局部截断误差：欧拉法具有1阶精度。第8页,共28页，星期六，2024年，5月5.2.2后退的欧拉公式（隐式欧拉公式）向后差商近似导数由于未知数yn+1同时出现在等式的两边，故称为隐式欧拉公式，而前者称为显式欧拉公式。隐式公式不能直接求解，一般需要用Euler显式公式得到初值，然后用Euler隐式公式迭代求解。因此隐式公式较显式公式计算复杂，但稳定性好。第9页,共28页，星期六，2024年，5月第10页,共28页，星期六，2024年，5月几何意义：向后差商近似导数x0x1))(,()(1101xyxfhyxy+?第11页,共28页，星期六，2024年，5月见上图，显然，这种近似也有一定误差，如何估计这种误差y(xn+1)?yn+1？方法同上，基于Taylor展开估计局部截断误差。但是注意，隐式公式中右边含有f(xn+1,yn+1),由于yn+1不准确，所以不能直接用y(xn+1)代替f(xn+1,yn+1)设已知曲线上一点Pn(xn,yn),过该点作弦线，斜率为(xn+1,yn+1)点的方向场f(x,y)方向,若步长h充分小，可用弦线和垂线x=xn+1的交点近似曲线与垂线的交点。几何意义xnxn+1PnPn+1xyy(x)第12页,共28页，星期六，2024年，5月隐式欧拉法的局部截断误差：第13页,共28页，星期六，2024年，5月§1Euler’sMethod第14页,共28页，星期六，2024年，5月隐式欧拉法的局部截断误差：即隐式欧拉公式具有1阶精度。§1Euler’sMethod第15页,共28页，星期六，2024年，5月比较欧拉显式公式和隐式公式及其局部截断误差显式公式隐式公式第16页,共28页，星期六，2024年，5月若将这两种方法进行算术平均，即可消除误差的主要部分而获得更高的精度,称为梯形法5.2.3梯形公式第17页,共28页，星期六，2024年，5月在用数值积分的方法推导欧拉公式时，右端的积分用梯形积分公式可得：第18页,共28页，星期六，2024年，5月梯形法的迭代计算和收敛性注：的确有局部截断误差，即梯形公式具有2阶精度，比欧拉方法有了进步。但注意到该公式是隐式公式，计算时不得不用到迭代法，其迭代收敛性与欧拉公式相似。第19页,共28页，星期六，2024年，5月第20页,共28页，星期六，2024年，5月5.2.4改进的欧拉格式欧拉方法容易计算，但精度较低；梯形公式精度高，但是隐式形式，不易求解；若将二者结合，可得到改进的欧拉格式。第21页,共28页，星期六，2024年，5月上述方法也可以表示为下述两种形式：第22页,共28页，星期六，2024年