מבוא לשיטות נומריות/גזירה נומרית

מתוך testwiki
קפיצה לניווט קפיצה לחיפוש

הקדמה:

- אפשרי רק עבור נקודה נתונה, מוצאים ערך הנגזרת של הפונקציה בנקודה הנתונה.

מתי:

- כאשר הנגזרת מסובכת.

- כאשר מקבלים ערכים בדידים ולא פונקציה מפורשת (כמו בניסויים, לדוגמא).

- כאשר רוצים (בהמשך) לפתור מד"ר באופן נומרי.


שיטות:

א) שיטות הפרשים סופיים:

1) הפרשים קדמיים.
2) הפרשים אחוריים.
3) הפרשים מרכזיים.
4) אקסטרפולציית ריצ'רדסון.

ב) נושאים נוספים:

1) קירוב לנגזרת שניה.
2) נגזרות מסדר גבוה.
3) נגזרות לנתונים במרווחים לא שווים.


א) הפרשים סופיים

מבצעים קירוב טיילור מדרגה ראשונה

(צעד קדמי)  f(x+h)=f(x)+hf(x)+h22f(c1)x<c1<x+h

(צעד אחורי)  f(xh)=f(x)hf(x)+h22f(c2)xh<c2<x

1) הפרשים קדמיים: בשיטה זו נבודד את  f(x) מתוך ביטוי לצעד קדמי:

  f(x)=f(x+h)f(x)hh2f(c1)


2) הפרשים אחוריים: בשיטה זו נבודד את  f(x) מתוך ביטוי לצעד אחורי:

  f(x)=f(x)f(xh)h+h2f(c2)


  •  O(h)=±h2f(c2) שגיאת קיטוע.

ניתן לראות שבשתי שיטות אילו שגיאת הקיטוע גדלה ככל ש- h גדל.


3) הפרשים מרכזיים: בשיטה זו נבצע קירוב טיילור מדרגה שניה בצעד קדמי ובצעד אחורי, נשווה בינהם ונבודד את  f(x).

  • קירוב טיילור מדרגה שניה:

צעד קדמי:  (I)f(x+h)=f(x)+hf(x)+h22f(x)+O(h3)

צעד אחורי:  (II)f(xh)=f(x)hf(x)+h22f(x)+O(h3)

כאשר  O(h3) היא השגיאה.


  • נחסיר  (I)(II):

 f(x+h)f(xh)=2hf(x)+O(h3)

  • נחלץ את  f(x):
קירוב מרכזי:  f(x)=f(x+h)f(xh)2h+O(h2)

 O(h3)=|h36f|


  • ניתן לראות ויזואלית שהנגזרת המרכזית הכי קרובה לנגזרת האמיתית, ולכן מהווה שיטה 3 קירוב טוב יותר.


  • לשיפור השיטה והקטנת שגיאת הקיטוע יש להקטין את גודל הצעד h. צעד קטן מדי גם יתן שגיאה גדולה בשל שגיאות עיגול במחשב.

4) אקסטרפולציית ריצ'רדסון

  • משווים בין 2 קירובים של טורי טיילור: אחד עם גודל צעד  h1, ואחד עם גודל צעד  h2<h1, בהנחה ש-  h2h1.
מתקבל:  f(x)=43f'h/2(x)13f'h(x)

 f'h/2 - גודל נגזרת מרכזית בנקודה x עם צעד h/2.

 f'h - נגזרת מרכזית בנקודה x עם צעד h.

  • יתרון השיטה: מאפשרת שיפור הדיוק ללא הקטנת גודל הצעד. באופן זה בוחרים h כלשהו ומציבים:

 {f'h(x)=f(x+h)f(xh)2hf'h/2(x)=f(x+h2)f(xh2)2h2  f(x)=43f'h/2(x)13f'h(x)

ב) נושאים נוספים:

1) קירוב לנגזרת שניה:

  • נפתח טור טיילור מסדר שלישי:

צעד קדמי:  (I)f(x+h)=f(x)+hf(x)+h22f(x)+h33!f(x)+O(h4)

צעד אחורי:  (I)f(xh)=f(x)hf(x)+h22f(x)h33!f(x)+O(h4)

נגזרת מסדר שני:  (I)+(II)f(x+h)2f(x)+f(xh)h2+O(h2)=f(x)

2) נגזרות מסדר גבוה

  • בשיטה זו נגזור קירובים של נגזרות מסדר נמוך יותר.

 f(x)=22xf(x)

 =22x[f(x+h)2f(x)+f(xh)h2]

ביטוי מקורב לנגזרת מסדר III:  f(x)=f(x+2h)2f(x+h)+2f(xh)f(x2h)2h3


3) נגזרות לנתונים במרווחים לא שווים:

  • שימוש: כאשר נתונות תוצאות ניסוי או תצפיות ולא פונקציה מפורשת.
  • בשלב ראשון מתאימים עקום לתוצאות ע"י אינטרפולציה ומחשבים את נגזרות העקום המקורב, בשיטת ההפרשים הסופיים.