เรียนรู้ วิธีเชิงตัวเลข ตั้งแต่ต้น ก่อนหน้านี้: อนุพันธ์ , อินทิกรัล , สมการเชิงอนุพันธ์
1 ทำไมต้องวิธีเชิงตัวเลข และวิธีแบ่งครึ่งสมการและอินทิกรัลจำนวนมากไม่มีสูตรสำหรับคำตอบ: x = cos x, ∫e−x² dx หรือสมการเชิงอนุพันธ์ส่วนใหญ่ วิธีเชิงตัวเลข คำนวณคำตอบทีละขั้นตามความแม่นยำที่คุณต้องการ
วิธีแบ่งครึ่ง หารากของ f(x) = 0 บนช่วง [a, b] ที่ f เปลี่ยนเครื่องหมาย หาจุดกึ่งกลาง c = (a + b)/2 และเก็บครึ่งที่เครื่องหมายยังเปลี่ยน
ตัวอย่าง: f(x) = x² − 2 บน [1, 2] c₁ = 1.5 ให้ f = 0.25 > 0 ดังนั้นเก็บ [1, 1.5] c₂ = 1.25 ให้ f = −0.4375 < 0 ดังนั้นเก็บ [1.25, 1.5] จากนั้น c₃ = 1.375
ทุกขั้นแบ่งช่วงเป็นครึ่งหนึ่ง ดังนั้นหลัง n ขั้นความกว้างคือ (b − a)/2ⁿ วิธีแบ่งครึ่งช้าแต่ใช้ได้เสมอเมื่อมีการเปลี่ยนเครื่องหมาย
ตรวจสอบตนเอง วิธีแบ่งครึ่งเริ่มบนช่วงยาว 1 หลัง 10 ขั้น ช่วงกว้างเท่าใด1/100 1/1024 1/10 1/20 คำตอบ: 1/1024. ทุกขั้นลดลงครึ่งหนึ่ง: 1/2¹⁰ = 1/1024 ≈ 0.001 การหารด้วย 10 หรือ 20 คือการมองการลดครึ่งเป็นการบวก
2 นิวตัน–ราฟสันนิวตัน–ราฟสัน ตามเส้นสัมผัสลงไปถึงแกน x และใช้จุดตัดนั้นเป็นค่าเดาถัดไป:
xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
x x₀ = 2 x₁ = 1.5 √2 f(x) = x² − 2 สำหรับ f(x) = x² − 2 ที่ f′(x) = 2x และ x₀ = 2: x₁ = 2 − 2/4 = 1.5, x₂ = 1.5 − 0.25/3 = 1.416667, x₃ = 1.414216 รากคือ √2 = 1.414214
ใกล้ราก นิวตันเพิ่มจำนวนหลักที่ถูกต้องประมาณสองเท่าในทุกขั้น อาจล้มเหลวเมื่อ f′(xₙ) ใกล้ 0 หรือเมื่อจุดเริ่มต้นอยู่ไกลจากราก
เก็บอย่างน้อยหกหลักในทุกรอบการวนซ้ำ การปัดเร็วไปทำให้วิธีไม่ดีขึ้น
ตรวจสอบตนเอง หนึ่งขั้นของนิวตันสำหรับ f(x) = x² − 5 จาก x₀ = 2 ให้…1.75 2.25 2.2 2.5 คำตอบ: 2.25. f(2) = −1 และ f′(2) = 4 ดังนั้น x₁ = 2 − (−1)/4 = 2.25 การบวก −1/4 แทนการลบได้ 1.75
3 การประมาณค่าในช่วงเชิงเส้นตารางให้ค่าเฉพาะบางจุด การประมาณค่าในช่วงเชิงเส้น ลากเส้นตรงระหว่างจุดในตารางสองจุดที่อยู่ติดกัน:
y = y₁ + (y₂ − y₁)·(x − x₁)/(x₂ − x₁)
ตัวอย่าง: ตารางให้ f(1) = 2.0 และ f(2) = 2.6 ที่ x = 1.4 สัดส่วนคือ 0.4 ดังนั้น f(1.4) ≈ 2.0 + 0.6·0.4 = 2.24
การประมาณค่าผกผันทำแบบเดียวกันแต่กลับด้าน: เพื่อหาที่ y = 2.3 สัดส่วนคือ (2.3 − 2.0)/0.6 = 0.5 ดังนั้น x ≈ 1.5
4 กฎสี่เหลี่ยมคางหมูและกฎของซิมป์สันเพื่ออินทิเกรต f จาก a ถึง b ให้แบ่งช่วงเป็น n แถบกว้าง h = (b − a)/n โดยมีจุดต่อ x₀, x₁, …, xₙ
กฎสี่เหลี่ยมคางหมู แทนเส้นโค้งในแต่ละแถบด้วยเส้นตรง จุดต่อภายในแต่ละจุดอยู่ในสองแถบ จึงนับสองครั้ง:
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]
กฎของซิมป์สัน พอดีพาราโบลาผ่านสามจุดต่อทีละชุด ต้องการ n เป็นเลขคู่:
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]
สำหรับ ∫0 1 x² dx = 1/3 ที่ n = 2 (h = 0.5): T = 0.25·(0 + 0.5 + 1) = 0.375 ขณะที่ S = (0.5/3)·(0 + 1 + 1) = 0.3333 ถูกต้องพอดี
ความคลาดเคลื่อนของสี่เหลี่ยมคางหมูลดลงเหมือน h² และของซิมป์สันเหมือน h⁴: การลด h ลงครึ่งหนึ่งทำให้ซิมป์สันแม่นยำขึ้นประมาณ 16 เท่า
ตรวจสอบตนเอง กฎสี่เหลี่ยมคางหมูให้น้ำหนักใดแก่จุดต่อ x₀, x₁, x₂, x₃1, 1, 1, 1 1, 2, 2, 1 1, 4, 2, 1 1, 4, 4, 1 คำตอบ: 1, 2, 2, 1. จุดปลายทั้งสองอยู่ในหนึ่งแถบและจุดภายในอยู่ในสองแถบ ดังนั้น 1, 2, 2, 1 พร้อมตัวประกอบ h/2 ส่วน 4 เป็นของกฎของซิมป์สัน
5 ออยเลอร์และฮอยน์สำหรับสมการเชิงอนุพันธ์สำหรับ y′ = f(t, y) ที่ y(t₀) = y₀ ให้เดินหน้าในเวลาด้วยขั้น h วิธีของออยเลอร์ ใช้ความชันที่จุดเริ่มต้นของแต่ละขั้น:
yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
วิธีของฮอยน์ (ออยเลอร์ปรับปรุง) ทำนายด้วยออยเลอร์ แล้วเฉลี่ยความชันที่ปลายทั้งสอง: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂)
ความคลาดเคลื่อนของออยเลอร์เป็นสัดส่วนกับ h ของฮอยน์กับ h² วิธีรุงเง–คุตตาแบบดั้งเดิม (RK4) ใช้สี่ความชันและแม่นยำถึง h⁴
ตัวอย่างที่แก้ให้ดู จงแก้ y′ = y, y(0) = 1 ด้วยวิธีของออยเลอร์และ h = 0.1 จนถึง t = 0.3 แล้วเปรียบเทียบกับคำตอบที่แท้จริง eᵗ
2 y₂ = 1.1 + 0.1·1.1 = 1.21
3 y₃ = 1.21 + 0.1·1.21 = 1.331
4 ค่าที่แท้จริงคือ e0.3 = 1.349859 ดังนั้นความคลาดเคลื่อนรวมคือ 0.0189 หนึ่งขั้นของฮอยน์จาก y₀ จะให้ 1 + 0.05·(1 + 1.1) = 1.105 เทียบกับ e0.1 = 1.105171
คำตอบ y(0.3) ≈ 1.331 ด้วยออยเลอร์; ความคลาดเคลื่อน 0.019 ลดลงโดยประมาณตามสัดส่วนของ h
6 ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยและคำถามในข้อสอบนับจุดกึ่งกลางแรกของวิธีแบ่งครึ่งเป็นขั้นที่ 0 หรือเก็บครึ่งที่ผิดของช่วง เขียน x − f′/f แทน x − f/f′ ในวิธีของนิวตัน ลืมตัวประกอบ 2 ที่จุดต่อภายใน หรือใช้ h แทน h/2 ในกฎสี่เหลี่ยมคางหมู ใช้กฎของซิมป์สันกับจำนวนแถบที่เป็นเลขคี่ ในวิธีของออยเลอร์ ใช้ความชันที่ปลายของขั้น หรือทำน้อยไปหนึ่งขั้น ง่าย: วิธีแบ่งครึ่ง การวนซ้ำของนิวตัน และการประมาณค่าในช่วงในตาราง ปานกลาง: กฎสี่เหลี่ยมคางหมูและกฎของซิมป์สัน ความคลาดเคลื่อน และจำนวนแถบที่ต้องใช้ ยาก: ขั้นของออยเลอร์ ฮอยน์ และรุงเง–คุตตาสำหรับสมการเชิงอนุพันธ์
ตรวจสอบตนเอง y′ = 2y ที่ y(0) = 1 หนึ่งขั้นของออยเลอร์ที่ h = 0.2 ให้ค่าเท่าใด1.2 1.49 1.4 2.4 คำตอบ: 1.4. y₁ = 1 + 0.2·(2·1) = 1.4 การลืมตัวประกอบ 2 ในความชันได้ 1.2; 1.49 คือค่าที่แท้จริง e0.4
เรียนรู้ทีละขั้นในแอป เรียนรู้ทีละขั้นในแอป