Приближённое решение

Определение "Приближённое решение" в Большой Советской Энциклопедии

Приближённое решение дифференциальных уравнений, получение аналитических выражений (формул) или численных значений, приближающих с той или иной степенью точности искомое частное решение дифференциального уравнения.



Приближённое решение дифференциальных уравнений в виде аналитического выражения может быть найдено методом рядов (степенных, тригонометрических и др.), методом малого параметра, последовательных приближений методом, Ритца и Галёркина методами, Чаплыгина методом. Каждый из этих методов определяет один или несколько бесконечных процессов, с помощью которых при выполнении определённых условий можно получить точное решение задачи. Для получения Приближённое решение останавливаются на некотором шаге процесса.


Если решение ищется в виде бесконечного ряда, то за Приближённое решение принимают конечный отрезок ряда. Например, пусть требуется найти решение дифференциального уравнения y" = f (x, у), удовлетворяющее начальным условиям у (х0) = y0, причём известно, что f (x, у) аналитическая функция х, у в некоторой окрестности точки (х0, y0). Тогда решение можно искать в виде степенного ряда:
y (x) - y (x0) = .
  Коэффициенты Ak ряда могут быть найдены либо по формулам:
A1 = y’0 = f (x0, y0);


либо с помощью неопределенных коэффициентов метода. Метод рядов позволяет находить решение лишь при малых значениях величины х — х0.



  Часто (например, при изучении периодических движений в небесной механике и теории колебаний) встречается случай, когда уравнение состоит из членов двоякого вида: главных и второстепенных, причём второстепенные члены характеризуются наличием в них малых постоянных множителей. Обычно после отбрасывания второстепенных членов получается уравнение, допускающее точное решение. Тогда решение основного уравнения можно искать в виде ряда, первым членом которого является решение уравнения без второстепенных членов, а остальные члены ряда расположены по степеням малых постоянных величин, входящих во второстепенные члены (малых параметров). При этом уравнения для коэффициентов при степенях малых параметров линейны, что облегчает их решение. В роли малого параметра иногда выступают начальные значения (например, при изучении колебаний около положения равновесия). Метод малого параметра был использован при решении задачи о возмущённом движении в небесной механике Л. Эйлером и П. Лапласом. Теоретическое обоснование этого метода дали А. М. Ляпунов и А. Пуанкаре.


  К численным методам относятся методы, позволяющие находить Приближённое решение при некоторых значениях аргумента (т. е. получать таблицу приближённых значений искомого решения), пользуясь известными значениями решения в одной или нескольких точках. Такими методами являются, например, метод Эйлера, метод Рунге и целый ряд разностных методов.
Поясним эти методы на примере уравнения
y’ = f (x, у)


с начальным условием у (х0) = y0. Пусть точное решение этого уравнения представлено в некоторой окрестности точки х0 в виде ряда по степеням h = х х0 Основной характеристикой точности формул Приближённое решение дифференциальных уравнений является требование, чтобы первые k членов разложения в ряд по степеням h Приближённое решение совпадали с первыми k членами разложения в ряд по степеням h точного решения.


Основная идея метода Эйлера заключается в применении метода рядов для вычисления приближённых значений решения у (х) в точках x1, x2,..., xn некоторого фиксированного отрезка [х0, b] Так, для того чтобы вычислить у (х1), где х1 = х0 + h, h = (b — x0)/n, представляют у (х1) в виде конечного числа членов ряда по степеням h = х1 х0. Например, ограничиваясь первыми двумя членами ряда, получают для вычисления у (xk) формулы:
,


Это т. н. метод ломаных Эйлера (на каждом отрезке [xk, xk+1] интегральная кривая заменяется прямолинейным отрезком — звеном ломаной Эйлера). Погрешность метода пропорциональна h2.


  В методе Рунге вместо того, чтобы отыскивать производные, находят такую комбинацию значений f (x, у) в некоторых точках, которая даёт с определённой точностью несколько первых членов степенного ряда для точного решения уравнения. Например, правая часть формулы Рунге:
,
где
;
;
;

дает первые пять членов степенного ряда с точностью до величин порядка h5.


  В разностных формулах Приближённое решение удаётся несколько раз использовать уже вычисленные значения правой части. Решение ищется в виде линейной комбинации у (xi), hi и разностей Dihj, где
hj = hf (xj, yj); Dhj = hj+1 - hj;
Dihj = Di-1hj+1 - Di-1hj.
Примером разностной формулы Приближённое решение является экстраполяционная формула Адамса. Так, формула Адамса, учитывающая «разности» 3-го порядка:

даёт решение у (х) в точке xk с точностью до величин порядка h4.
Для уравнений 2-го порядка можно получить формулы численного интегрирования путём двукратного применения




Формула

k = 2

k = 3

k = 4

(1 + x)3 » 1 + 3x

0,04

0,012

0,004



0,06

0,022

0,007



0,19

0,062

0,020



0,20

0,065

0,021



0,31 (17°48")

0,144 (8°15")

0,067 (3°50")



0,10 (5°43")

0,031 (l"48")

0,010 (0°34")



0,25 (14°8")

0,112 (6°25")

0,053 (3°2")



0,14

0,47

0,015



0,04

0,014

0,004



0,25

0,119

0,055

формулы Адамса. Норвежский математик К. Стёрмер получил формулу:


особенно удобную для решения уравнений вида у"" = f (x, у). По этой формуле находят D2yn-1, а затем yn+1 = yn +Dyn+1 + D2yn-1. Найдя yn+1, вычисляют y’’n+1 = f (xn+1, yn+1), находят разности и повторяют процесс далее.
Указанные выше численные методы распространяются и на системы дифференциальных уравнений.
Значение численных методов решения дифференциальных уравнений особенно возросло с распространением ЭВМ.


Кроме аналитических и численных методов, для Приближённое решение дифференциальных уравнений применяются графические методы. В простейшем из них строят поле направлений, определяемое дифференциальным уравнением, т. е. в некоторых точках рисуют направления касательной к интегральной кривой, проходящей через эту точку. Затем проводят кривую так, чтобы касательные к ней имели направления поля (см. Графические вычисления).


Лит.: Березин И. С., Жидков Н. П., Методы вычислений, 2 изд., т. 2, М.. 1962; Бахвалов Н. С., Численные методы, М., 1973: Коллатц Л., Численные методы решения дифференциальных уравнений, пер. с нем., М., 1953; Милн В. Э., Численное решение дифференциальных уравнений, пер, с англ., М., 1955.



"БСЭ" >> "П" >> "ПР" >> "ПРИ" >> "ПРИБ"

Статья про "Приближённое решение" в Большой Советской Энциклопедии была прочитана 335 раз
Коптим скумбрию в коробке
Кукурузный крем суп со скатом

TOP 20