Ãëàâíàÿ              Ðåôåðàòû - Ìàòåìàòèêà

Ðåøåíèå êðàåâîé çàäà÷è äëÿ ÎÄÓ ìåòîäîì êîíå÷íûõ ðàçíîñòåé - êóðñîâàÿ ðàáîòà

ÌÈÍÈÑÒÅÐÑÒÂÎ ÍÀÓÊÈ È ÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈß ÐÎÑÑÈÉÑÊÎÉ ÔÅÄÅÐÀÖÈÈ

ÌÀÐÈÉÑÊÈÉ ÃÎÑÓÄÀÐÑÒÂÅÍÍÛÉ ÒÅÕÍÈ×ÅÑÊÈÉ ÓÍÈÂÅÐÑÈÒÅÒ

Êàôåäðà ÏèÏÝÂÑ

Êóðñîâàÿ ðàáîòà

ïî äèñöèïëèíå «Ìîäåëèðîâàíèå ñèñòåì»

Ðåøåíèå êðàåâîé çàäà÷è äëÿ ÎÄÓ ìåòîäîì êîíå÷íûõ ðàçíîñòåé.

Éîøêàð-Îëà

2010

Òåîðåòè÷åñêàÿ ÷àñòü.

Êðàåâûå çàäà÷è, çàäà÷è, â êîòîðûõ èç íåêîòîðîãî êëàññà ôóíêöèé, îïðåäåë¸ííûõ â äàííîé îáëàñòè, òðåáóåòñÿ íàéòè òó, êîòîðàÿ óäîâëåòâîðÿåò íà ãðàíèöå (êðàå) ýòîé îáëàñòè çàäàííûì óñëîâèÿì. Ôóíêöèè, îïèñûâàþùèå êîíêðåòíûå ÿâëåíèÿ ïðèðîäû (ôèçè÷åñêèå, õèìè÷åñêèå è äð.), êàê ïðàâèëî, ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ðåøåíèÿ óðàâíåíèé ìàòåìàòè÷åñêîé ôèçèêè, âûâåäåííûõ èç îáùèõ çàêîíîâ, êîòîðûì ïîä÷èíÿþòñÿ ýòè ÿâëåíèÿ. Êîãäà ðàññìàòðèâàåìûå óðàâíåíèÿ äîïóñêàþò öåëûå ñåìåéñòâà ðåøåíèé, äîïîëíèòåëüíî çàäàþò òàê íàçûâàåìûå êðàåâûå èëè íà÷àëüíûå óñëîâèÿ, ïîçâîëÿþùèå îäíîçíà÷íî âûäåëèòü èíòåðåñóþùåå íàñ ðåøåíèå.  òî âðåìÿ, êàê êðàåâûå óñëîâèÿ çàäàþòñÿ èñêëþ÷èòåëüíî íà ãðàíè÷íûõ òî÷êàõ îáëàñòè, ãäå èùåòñÿ ðåøåíèå, íà÷àëüíûå óñëîâèÿ ìîãóò îêàçàòüñÿ çàäàííûìè íà îïðåäåë¸ííîì ìíîæåñòâå òî÷åê âíóòðè îáëàñòè.

Äëÿ èññëåäîâàíèÿ êðàåâûõ çàäà÷ øèðîêî èñïîëüçóþòñÿ ìåòîäû èíòåãðàëüíûõ óðàâíåíèé (ïîòåíöèàëà), àïðèîðíûõ îöåíîê è êîíå÷íûõ ðàçíîñòåé.

Êîíå÷íûå ðàçíîñòè.

Èñ÷èñëåíèå êîíå÷íûõ ðàçíîñòåé ñâÿçàíî ñ èçó÷åíèåì ñâîéñòâ è ïðèìåíåíèé ðàçíîñòåé ìåæäó ñîñåäíèìè ÷ëåíàìè êàêîé-íèáóäü ïîñëåäîâàòåëüíîñòè èëè ìåæäó çíà÷åíèÿìè ôóíêöèè â òî÷êàõ, ðàñïîëîæåííûõ ñ ïîñòîÿííûì èíòåðâàëîì â íåêîòîðîì ïðîñòðàíñòâå. Ñëîâî «êîíå÷íûå» èñïîëüçóåòñÿ çäåñü â íåñêîëüêî óñòàðåâøåì ñìûñëå «íå áåñêîíå÷íî ìàëûå», ò.å. íå ñâÿçàííûå ñ ïðåäåëüíûìè ïåðåõîäàìè. Ïîñêîëüêó äèôôåðåíöèàëüíîå èñ÷èñëåíèå çàíèìàåòñÿ èçó÷åíèåì ïðåäåëîâ ðàçíîñòåé, à èñ÷èñëåíèå êîíå÷íûõ ðàçíîñòåé – ñàìèìè ðàçíîñòÿìè, òî åñòåñòâåííî, ÷òî ìåæäó ýòèìè äâóìÿ òåîðèÿìè ñóùåñòâóþò ìíîãî ïàðàëëåëåé. Èñ÷èñëåíèÿ êîíå÷íûõ ðàçíîñòåé èñïîëüçóþòñÿ ïðè èíòåðïîëÿöèè â ìàòåìàòè÷åñêèõ òàáëèöàõ, ïðè ñóììèðîâàíèè ÷èñëîâûõ ðÿäîâ, ïðè âû÷èñëåíèè èíòåãðàëîâ è äèôôåðåíöèðîâàíèè ôóíêöèé. Ðàçíîñòè âñòðå÷àþòñÿ òàêæå â ëþáîé ñèòóàöèè, êîãäà íàäî îïèñàòü ïîâåäåíèå îáúåêòà, êîòîðûé èñïûòûâàåò âîçäåéñòâèå ìåíÿþùèõñÿ óñëîâèé íà îïðåäåëåííîì ðàññòîÿíèè (âî âðåìåíè è â ïðîñòðàíñòâå). Íàïðèìåð, òåðìîñòàòó òðåáóåòñÿ çíà÷èòåëüíîå âðåìÿ, ÷òîáû îòðåàãèðîâàòü íà èçìåíåíèå òåìïåðàòóðû, ïîýòîìó îí ðåàãèðóåò íå íà òåêóùóþ òåìïåðàòóðó, à íà òó, ÷òî áûëà ìèíóòó íàçàä. Äðóãîé ïðèìåð: àâòîìàøèíîé óïðàâëÿåò âîäèòåëü, êîòîðîìó òðåáóåòñÿ êàêîå-òî âðåìÿ, ÷òîáû îòðåàãèðîâàòü íà âîçíèêøóþ íà äîðîãå ñèòóàöèþ.

Ïîä êîíå÷íîé ðàçíîñòüþ ïåðâîãî ïîðÿäêà ôóíêöèè f (x) ïðèíÿòî ïîíèìàòü âåëè÷èíó

ãäå d – íåêîòîðàÿ ïîñòîÿííàÿ, êîòîðóþ ÷àñòî, íî íå âñåãäà, ïðèíèìàþò ðàâíîé 1. Ðàçíîñòü âòîðîãî ïîðÿäêà îáîçíà÷àåòñÿ D2f è ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ðàçíîñòü ðàçíîñòåé, ò.å.

Ïðîäîëæèâ ýòîò ïðîöåññ, ìû ïîëó÷èì ðàçíîñòè áîëåå âûñîêèõ ïîðÿäêîâ D3f (x), D4f (x), ¼ .

Ó èñòîêîâ òåîðèè.

Õîòÿ èññëåäîâàíèå ñâîéñòâ è èñïîëüçîâàíèå êîíå÷íûõ ðàçíîñòåé ïðèõîäèòñÿ íà ñîâðåìåííûé ïåðèîä ðàçâèòèÿ ìàòåìàòèêè, Ïòîëåìåé (îê. 150 í.ý.) ââåë â Àëüìàãåñòå òàáëèöó ðàçíîñòåé ïåðâîãî ïîðÿäêà, ÷òîáû îáëåã÷èòü ðàñ÷åòû â òàáëèöå äëèí õîðä. Ðàçíîñòè âòîðîãî ïîðÿäêà èñïîëüçîâàë ïðè âû÷èñëåíèè ñâîèõ òàáëèö ëîãàðèôìîâ â 1624 Ã.Áðèããñ. Òåîðèÿ èíòåðïîëÿöèè áåðåò íà÷àëî ñî çíàìåíèòîé ïÿòîé ëåììû èç 3-é êíèãè Ìàòåìàòè÷åñêèõ íà÷àë (1687) È.Íüþòîíà, â êîòîðîé âïåðâûå áûëà ïðèâåäåíà ôîðìóëà, íîñÿùàÿ íûíå åãî èìÿ. ×àñòíûé ñëó÷àé ôîðìóëû Íüþòîíà, îòêðûòûé òàêæå íåçàâèñèìî åãî ñîâðåìåííèêîì Äæ.Ãðåãîðè (1638–1675), ïðèâåäåí íèæå (ñì. ôîðìóëó (7)).  îáùåé ôîðìóëå èíòåðïîëÿöèè Íüþòîíà èñïîëüçîâàëèñü ðàçäåëåííûå ðàçíîñòè, õîòÿ ýòîò òåðìèí, ïî-âèäèìîìó, áûë ââåäåí Î.äå Ìîðãàíîì (1806–1871) â 1848. Ïåðâîå ïðèìåíåíèå èñ÷èñëåíèÿ êîíå÷íûõ ðàçíîñòåé ê çàäà÷àì òåîðèè âåðîÿòíîñòåé ïðèíÿòî ñâÿçûâàòü ñ èìåíàìè Ï.äå Ìîíòìîðà (1678–1719) è À.äå Ìóàâðà (1667–1754).

Õîòÿ Ë.Ýéëåð (1707–1783) â ñâîèõ ðàáîòàõ ïî äèôôåðåíöèàëüíîìó èñ÷èñëåíèþ èñïîëüçîâàë ïðåäåëüíûå ïåðåõîäû â êîíå÷íûõ ðàçíîñòÿõ, îñíîâàíèÿ ñîâðåìåííîé òåîðèè êîíå÷íûõ ðàçíîñòåé áûëè çàëîæåíû â îñíîâíîì Æ.Ëàãðàíæåì (1736–1813) è Ï.Ëàïëàñîì (1749–1827). Ïåðâûé èç íèõ ââåë â èñ÷èñëåíèå êîíå÷íûõ ðàçíîñòåé ñèìâîëè÷åñêèå ìåòîäû, âòîðîé ñäåëàë êîíå÷íûå ðàçíîñòè ãëàâíûì èíñòðóìåíòîì â ñâîåé Àíàëèòè÷åñêîé òåîðèè âåðîÿòíîñòåé (1812).

Ïîä âëèÿíèåì ýòèõ ðàáîò ìàòåìàòèêè 19 â. ïðèíÿëèñü èíòåíñèâíî ðàçðàáàòûâàòü ïðåäìåò, è â 1860 Äæ.Áóëü âûïóñòèë ñâîé êëàññè÷åñêèé Òðàêòàò îá èñ÷èñëåíèè êîíå÷íûõ ðàçíîñòåé. Ñ òåõ ïîð ýòî èñ÷èñëåíèå è êðóã åãî ïðèëîæåíèé ñóùåñòâåííî ðàñøèðèëèñü. Îäíî èç íàèáîëåå âàæíûõ ïðèëîæåíèé êîíå÷íûå ðàçíîñòè íàøëè â ñòàòèñòèêå. Îñîáåííî ïîëåçíûìè îíè îêàçàëèñü â òåîðèè ñåðèàëüíîé êîððåëÿöèè, â àíàëèçå ñëó÷àéíûõ ïîñëåäîâàòåëüíîñòåé è ñòàòèñòè÷åñêèõ âðåìåííûõ ðÿäîâ.

Àëãîðèòì ìåòîäà êîíå÷íûõ ðàçíîñòåé.

1. Ðàçîáüåì îòðåçîê [a,b] íà n ðàâíûõ ÷àñòåé äëèíû, èëè øàãà

Òî÷êè ðàçáèåíèÿ íàçûâàþòñÿ óçëàìè, à èõ ñîâîêóïíîñòü – ñåòêîéíà îòðåçêå [a,b]

2. Ââîäèì îáîçíà÷åíèÿ

3. Çàìåíèì ïðîèçâîäíûå îäíîñòîðîííèìè êîíå÷íî-ðàçíîñòíûìè îòíîøåíèÿìè:

Ýòè ôîðìóëû ïðèáëèæåííî âûðàæàþò çíà÷åíèÿ ïðîèçâîäíûõ âî âíóòðåííèõ òî÷êàõ èíòåðâàëà [a,b].

Êðîìå òîãî, êðàåâûå óñëîâèÿ äîïîëíèòåëüíî äàþò åùå äâà óðàâíåíèÿ:

Ñîñòàâëÿåì ìàòðèöó óðàâíåíèé, êîòîðóþ ìîæíî ðåøèòü ëþáûì ÷èñëåííûì ìåòîäîì.

Ïðàêòè÷åñêàÿ ÷àñòü.

Çàäàíèå:

Èñïîëüçóÿ ìåòîä êîíå÷íûõ ðàçíîñòåé, ñîñòàâèòü ðåøåíèå êðàåâîé çàäà÷è äëÿ ÎÄÓ ñ òî÷íîñòüþ , h=0,1.

Ðàçáèâ îòðåçîê [1;1,3] íà ÷àñòè ñ øàãîì h=0.1 ïîëó÷èì 4 óçëîâûå òî÷êè ñ àáñöèññàìè:

äâå òî÷êè x0 è x3 – êîíå÷íûå;

äâå äðóãèå x1 è x2 – âíóòðåííèå.

Çàìåíèì ïðîèçâîäíûå îäíîñòîðîííèìè êîíå÷íî-ðàçíîñòíûìè îòíîøåíèÿìè:

Âî âíóòðåííèõ òî÷êàõ (i=1,2)

=

Êîíå÷íî-ðàçíîñòíûå óðàâíåíèÿ â êîíå÷íûõ òî÷êàõ:

Ïîñëå óïðîùåíèÿ ñèñòåìà ïðèíèìàåò ñëåäóþùèé âèä:

Äëÿ íàõîæäåíèÿ êîðíåé äàííîé ñèñòåìû óðàâíåíèé âîñïîëüçóåìñÿ ìåòîäîì Ãàóññà. (Ïðèëîæåíèå) Ðåøåíèåì êðàåâîé çàäà÷è ÿâëÿåòñÿ:

Âûâîä:

Ðàçðàáîòàíî ìíîãî ìåòîäîâ ÷èñëåííîãî ðåøåíèÿ óðàâíåíèé â ÷àñòíûõ ïðîèçâîäíûõ. Íàèáîëåå ÷àñòî èñïîëüçóåìûå èç íèõ - ìåòîäû êîíå÷íûõ ðàçíîñòåé è êîíå÷íûõ ýëåìåíòîâ.  õîäå äàííîé ðàáîòû èçó÷àëñÿ ìåòîä êîíå÷íûõ ðàçíîñòåé êàê îäèí èç ìåòîäîâ ðåøåíèÿ êðàåâîé çàäà÷è äëÿ îáûêíîâåííûõ äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé.

Ìåòîä êîíå÷íûõ ðàçíîñòåé áûë ðàçðàáîòàí ðàíüøå îñòàëüíûõ è íà ïåðâûé âçãëÿä ÿâëÿåòñÿ íàèáîëåå ïðîñòûì â ðåàëèçàöèè. Èäåÿ åãî ñîñòîèò â ðàçáèåíèè ïðÿìîóãîëüíîé ñåòêîé îáëàñòè, â êîòîðîé ðåøàåòñÿ óðàâíåíèå, è äèñêðåòèçàöèÿ äèôôåðåíöèàëüíîãî îïåðàòîðà. Ðåøàÿ ëèíåéíóþ ñèñòåìó óðàâíåíèé, íàõîäÿò ïðèáëèæåííûå ðåøåíèÿ â óçëàõ ðåøåòêè. Îñíîâíûå òðóäíîñòè ñâÿçàíû ñ ó÷åòîì ãðàíè÷íûõ óñëîâèé, åñëè ãðàíèöà îáëàñòè èìååò ñëîæíóþ ãåîìåòðè÷åñêóþ ôîðìó.

Ê íåäîñòàòêàì ìåòîäà ñëåäóåò îòíåñòè ïëîõóþ àïïðîêñèìàöèþ ãðàíèö ñëîæíûõ îáëàñòåé, ÷òî íå ñëèøêîì ïðèíöèïèàëüíî äëÿ óðàâíåíèé òåïëîïðîâîäíîñòè, íî äîâîëüíî ñóùåñòâåííî äëÿ óðàâíåíèé ãèäðîäèíàìèêè. Êðîìå òîãî, ìåòîä ïëîõî ðàáîòàåò â ñëó÷àå òîíêîñòåííûõ îòëèâîê, êîãäà òîëùèíà ñòåíîê ñòàíîâèòñÿ ñðàâíèìîé ñ øàãîì ñåòêè. Òî åñòü ïðèìåíÿòü äàííûé ìåòîä ñòîèò ëèøü â óñëîâèÿõ, ïðèãîäíûõ äëÿ ðåøåíèÿ êîíêðåòíîé çàäà÷è, êîãäà ñòàâèòñÿ âîïðîñ òî÷íîñòè è ñêîðîñòè âû÷èñëåíèé.

ÏÐÈËÎÆÅÍÈÅ

Ëèñòèíã ïðîãðàììû:

program Kraevaja;

uses crt;

var

x1,x2,x3,x4:real;

i,j:integer;

Z:real;

B:array [1..4,1..5] of real;

C:array [1..4,1..5] of real;

procedure EnterMatrix;

begin

writeln('Ââåäèòåýëåìåíòûóïðîùåííîéìàòðèöû:');

for i:=1 to 4 do

for j:=1 to 5 do begin

write ('B[',i,',',j,']=');

readln (B[i,j]);

end;

end;

procedure PrintMatrix;

begin

for i:=1 to 4 do begin

for j:=1 to 5 do

write(B[i,j]:6:2);

writeln;

end;

end;

begin

clrscr;

gotoxy(30,1);

writeln('Ìåòîä êîíå÷íûõ ðàçíîñòåé');

gotoxy(1,2);

writeln('Èñõîäíîå çàäàíèå);

gotoxy(20,2);

writeln('d^2ã/dx^2-(dy/dx)/2+3y=2x^2');

gotoxy(20,4);

writeln('y(1)+2(dy/dx)(1)=0,6');

gotoxy(20,5);

writeln('y(1,3)=1');

gotoxy(1,6);

writeln('˜ £ h=0,1');

EnterMatrix;

writeln('Èñõîäíàÿìàòðèöà:');

PrintMatrix;

Z:=B[1,1];

for j:=1 to 5 do

begin

B[1,j]:=B[1,j]/z;

end;

for j:=1 to 5 do

begin

C[1,j]:=B[1,j];

end;

Z:=B[2,1];

for j:=1 to 5 do

begin

B[1,j]:=B[1,j]*Z;

end;

for j:=1 to 5 do

begin

B[2,j]:=B[2,j]-B[1,j];

end;

Z:=B[2,2];

for j:=1 to 5 do

begin

B[2,j]:=B[2,j]/Z;

end;

for j:=1 to 5 do

begin

C[2,j]:=B[2,j];

end;

for j:=1 to 5 do

begin

B[1,j]:=C[1,j];

end;

Z:=B[3,1];

for j:=1 to 5 do

begin

B[1,j]:=B[1,j]*Z;

end;

for j:=1 to 5 do

begin

B[3,j]:=B[3,j]-B[1,j];

end;

for j:=1 to 5 do

begin

B[2,j]:=C[2,j];

end;

Z:=B[3,2];

for j:=1 to 5 do

begin

B[2,j]:=B[2,j]*Z;

end;

for j:=1 to 5 do

begin

B[3,j]:=B[3,j]-B[2,j];

end;

Z:=B[3,3];

for j:=1 to 5 do

begin

B[3,j]:=B[3,j]/Z;

end;

for j:=1 to 5 do

begin

C[3,j]:=B[3,j];

end;

for j:=1 to 5 do

begin

B[1,j]:=C[1,j];

end;

Z:=B[4,1];

for j:=1 to 5 do

begin

B[1,j]:=B[1,j]*Z;

end;

for j:=1 to 5 do

begin

B[4,j]:=B[4,j]-B[1,j];

end;

for j:=1 to 5 do

begin

B[2,j]:=C[2,j];

end;

Z:=B[4,2];

for j:=1 to 5 do

begin

B[2,j]:=B[2,j]*Z;

end;

for j:=1 to 5 do

begin

B[4,j]:=B[4,j]-B[2,j];

end;

for j:=1 to 5 do

begin

B[3,j]:=C[3,j];

end;

Z:=B[4,3];

for j:=1 to 5 do

begin

B[3,j]:=B[3,j]*Z;

end;

for j:=1 to 5 do

begin

B[4,j]:=B[4,j]-B[3,j];

end;

for j:=1 to 5 do

begin

C[4,j]:=B[4,j];

end;

for j:=1 to 5 do

begin

B[2,j]:=C[2,j];

end;

x4:=C[4,5]/C[4,4];

x3:=C[3,5]-x4*C[3,4];

x2:=C[2,5]-x4*C[2,4]-x3*C[2,3];

x1:=C[1,5]-x4*C[1,4]-x3*C[1,3]-x2*C[1,2];

writeln('y(1)=',x1:3:3);

writeln('y(1,1)=',x2:3:3);

writeln('y(1,2)=',x3:3:3);

writeln('y(1,3)=',x4:3:3);

readkey;

end.

program tochki;

uses crt, graph;

var

gd,gm,a:integer;

begin

clrscr;

initgraph(gd,gm,'');

setcolor(12);

line(320,0,320,480);

line(0,240,640,240);

outtextxy(400,100,'tochka1');

outtextxy(440,110,'tochka2');

outtextxy(480,120,'tochka3');

outtextxy(530,130,'tochka4');

readkey;