Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Исследование точности численного дифференцирования

КурсоваяПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Для выполнения программы достаточно вычислительной установки типа PC с процессором Pentium III (или быстрее) и 256 Мбайт оперативной памяти, оснащенной любой из следующих операционных систем: Windows NT и выше. Для выполнения программы достаточно вычислительной установки типа PC с процессором Pentium III (или быстрее) и 256 Мбайт оперативной памяти, оснащенной любой из следующих операционных… Читать ещё >

Исследование точности численного дифференцирования (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Курсовая работа

" Исследование точности численного дифференцирования"

Екатеринбург 2009 г.

1. Подробное описание задачи и метод ее решения

Исследуйте два метода численного дифференцирования:

где xi — узел равномерной сетки с шагом h.

Предполагается, что отрезок дифференцирования [a, b] разбит на n равных частей системой точек (сеткой) Исследование проведите на примерах:

Относительную погрешность определяйте относительно максимального значения функции на интервале, абсолютную погрешность рассчитайте относительно значений аналитически вычисленной производной.

Численное дифференцирование применяется, если функцию y (x) трудно или невозможно продифференцировать аналитически — например, если она задана таблицей. Оно нужно также при решении дифференциальных уравнений при помощи разностных методов.

При численном дифференцировании функцию y (x) аппроксимируют легко вычисляемой функцией. При этом можно использовать различные способы аппроксимации. Задание требует исследовать 2 метода. Оба метода можно применять для всех функций, приведенных в задании, исходя из области определения этих функций.

На самом деле, метод решения данной задачи довольно тривиален, так как все формулы приведены в условии задачи.

Входные данные: номер функции, номер метода, точность (шаг), левое значение, правое значение. Для функции у=cos2mx нужно выбрать параметр m из предложенных.

Выходные данные: аргумент, значение функции при заданном параметре, значение первой производной, абсолютная погрешность, относительная погрешность.

1) y=cos2mx, для m=1 [0, 3.14]

выберем шаг=0,3 и интервал [0,3.14]

Метод 1

параметр

значение функции

значение производной

абсолютная погрешность

относительная погрешность

0,3

0,912 668

— 0,531 369

0,596 719

0,59 104

0,6

0,681 179

— 0,877 115

0,25 217

1,12 928

0,9

0,386 399

— 0,91 646

0,650 194

1,56 665

1,2

0,131 303

— 0,635 659

1,22 842

1,86 408

1,5

0,500 375

— 0,132 804

1,86 219

1,99 499

1,8

0,516 208

0,416 443

2,36 414

1,9477

2,1

0,25 487

0,820 214

2,54 663

1,72 642

2,4

0,543 749

0,937 461

2,28 839

1,35 093

2,7

0,817 346

0,727 226

1,58 199

0,85 476

0,980 085

0,26 295

0,54 519

0,28 224

Метод 2

параметр

значение функции

значение

производной

абсолютная погрешность

относительная погрешность

0,3

0,912 668

— 0,562 306

0,287 348

0,59 104

0,6

0,681 179

— 0,928 182

0,201 103

1,12 928

0,9

0,386 399

— 0,969 817

0,596 837

1,56 665

1,2

0,131 303

— 0,672 668

1,19 141

1,86 408

1,5

0,500 375

— 0,140 536

1,85 445

1,99 499

1,8

0,516 208

0,440 689

2,38 838

1,9477

2,1

0,25 487

0,867 969

2,59 439

1,72 642

2,4

0,543 749

0,992 042

2,34 297

1,35 093

2,7

0,817 346

0,769 566

1,62 433

0,85 476

0,980 085

0,278 259

0,560 499

0,28 224

Графики Для первого графика выберем шаг = 0,05, для большей точности построения численный дифференцирование абсолютный погрешность Рисунок 1. Значение функции y=cos2mx при m=1

Рисунок 2. Значение первой производной функции y=cos2mx при m=1

Рисунок 3. Абсолютная погрешность функции y=cos2mx при m=1

Рисунок 4. Относительная погрешность функции y=cos2mx при m=1

2) y=cos2mx, для m=12 [0, 3.14]

выберем шаг=0,3 и интервал [0,3.14]

Метод 1

параметр

значение функции

значение производной

абсолютная погрешность

относительная погрешность

0,3

0,804 176

— 1,4 985

1,93 489

0,885 041

0,6

0,370 091

— 1,27 735

0,309 983

1,58 734

0,9

0,37 764

— 0,50 431

2,46 618

1,96 187

1,2

0,67 505

0,663 757

2,59 507

1,93 132

1,5

0,436 018

1,31 191

0,190 069

1,50 197

1,8

0,854 648

0,932 442

1,69 494

0,762 501

2,1

0,995 483

— 0,177 401

0,429 848

0,134 416

2,4

0,748 207

— 1,14 829

2,15 186

1,358

2,7

0,306 512

— 1,21 972

0,445 798

1,66 552

0,16 375

— 0,335 752

2,31 931

1,98 356

Метод 2

параметр

значение функции

значение производной

абсолютная погрешность

относительная погрешность

0,3

0,804 176

— 1,4 985

1,93 489

0,885 041

0,6

0,370 091

— 1,27 735

0,309 983

1,58 734

0,9

0,37 764

— 0,50 431

2,46 618

1,96 187

1,2

0,67 505

0,663 757

2,59 507

1,93 132

1,5

0,436 018

1,31 191

0,190 069

1,50 197

1,8

0,854 648

0,932 442

1,69 494

0,762 501

2,1

0,995 483

— 0,177 401

0,429 848

0,134 416

2,4

0,748 207

— 1,14 829

2,15 186

1,358

2,7

0,306 512

— 1,21 972

0,445 798

1,66 552

0,16 375

— 0,335 752

2,31 931

1,98 356

Графики Для первых двух графиков выберем шаг = 0,05

Рисунок 5. Значение функции y=cos2mx при m=12

Рисунок 6. Значение первой производной функции y=cos2mx при m=12

Рисунок 7. Абсолютная погрешность функции y=cos2mx при m=12

Рисунок 8. Относительная погрешность функции y=cos2mx при m=12

3) y= [0. 01,1]

выберем шаг=0,05 на интервале [0. 5,1], графики при этих данных наиболее наглядные данные.

Метод 1

параметр

значение функции

значение производной

абсолютная погрешность

относительная погрешность

0,5

— 16,3249

0,324 865

0,55

3,30 579

— 12,2222

0,201 185

3,526

0,6

2,77 778

— 9,38 921

0,129 953

2,31 481

0,65

2,36 686

— 7,36 961

0,869 563

1,82 066

0,7

2,4 082

— 5,89 086

0,599 575

1,45 773

0,75

1,77 778

— 4,78 316

0,424 225

1,18 519

0,8

— 3,93 695

0,306 973

0,976 562

0,85

1,38 408

— 3,27 932

0,22 655

0,814 166

0,9

1,23 457

— 2,7605

0,170 138

0,685 871

0,95

1,10 803

— 2,34 568

0,129 775

0,583 175

— 2,1 004

0,100 376

0,5

Метод 2

параметр

значение функции

производная

абсолютная

относительная

0,5

— 15,9794

0,205 506

0,55

3,30 579

— 12,0106

0,1 042

3,526

0,6

2,77 778

— 9,25 364

0,56 158

2,31 481

0,65

2,36 686

— 7,27 947

0,31 844

1,82 066

0,7

2,4 082

— 5,82 902

0,188 505

1,45 773

0,75

1,77 778

— 4,73 958

0,115 782

1,18 519

0,8

— 3,90 552

0,734 272

0,976 562

0,85

1,38 408

— 3,25 619

0,478 899

0,814 166

0,9

1,23 457

— 2,74 316

0,320 172

0,685 871

0,95

1,10 803

— 2,33 248

0,218 821

0,583 175

— 1,99 985

0,152 533

0,5

В конце работы программы получен текстовый файл, содержащий аргумент функции, значение функции, значение первой производной, абсолютную и относительную погрешность. По этим данным построены графики зависимости аргумента от значения функции, производной, абсолютной и относительной погрешности. Каждый график содержит кривые, полученные вычислениями двумя различными методами, графики примерно совпадают, но все же есть некоторые погрешности.

Приложение

Описание применения

Техническое задание

Исследуйте два метода численного дифференцирования:

где xi — узел равномерной сетки с шагом h.

Предполагается, что отрезок дифференцирования [a, b] разбит на n равных частей системой точек (сеткой)

Исследование проведите на примерах:

Относительную погрешность определяйте относительно максимального значения функции на интервале, абсолютную погрешность рассчитайте относительно значений аналитически вычисленной производной. Данная программа предназначена для исследования метода численного дифференцирования двумя способами.

Программа была отлажена и проверена на вычислительной установке PC c процессором AMD Turion™ X2 Dual Core Mobile RM-76 2.30 Гц, работающей под управлением операционной системы Windows 7 Ultimate, ОЗУ 4 Гб. На других вычислительных установках программа не проверялась.

Для выполнения программы выбрана вычислительная установка типа PC с процессором Pentium III (или быстрее) и 256 Мбайт оперативной памяти, оснащенной любой из следующих операционных систем: Windows NT и выше.

Для компиляции исходного кода в исполняемый файл необходим компилятор MS Visual Studio версии 2005 и выше, совместимость с другими компиляторами не гарантируется.

Программа derivation предназначена для исследования метода численного дифференцирования двумя способами.

Данная программа написана на языке С++, реализована в компиляторе Microsoft Visual Studio 2005.

Для выполнения программы достаточно вычислительной установки типа PC с процессором Pentium III (или быстрее) и 256 Мбайт оперативной памяти, оснащенной любой из следующих операционных систем: Windows NT и выше.

Программа derivation предназначена для исследования метода численного дифференцирования двумя способами.

Численное дифференцирование применяется, если функцию y (x) трудно или невозможно продифференцировать аналитически — например, если она задана таблицей. Оно нужно также при решении дифференциальных уравнений при помощи разностных методов.

Программа состоит из нескольких функций, рассмотрим их подробнее.

Описание функции first_function

Данная функция вычисляет значение y=cos2mx и возвращает.

Описание функции first_derivation_real

Данная функция вычисляет аналитическое значение производной первой функции.

Описание функции Rus

Данная функция предназначена для русификации программы Описание функции second_function

Данная функция вычисляет значение y=

Описание функции second_derivation_real

Данная функция вычисляет аналитическое значение производной второй функции.

Описание функции first_derivation

Данная функция производит дифференцирование первым способом

Описание функции second_derivation

Данная функция производит дифференцирование вторым способом

pFunc func — указатель на функци., которую надо продифферинцировать Описание функции WriteToFile

Данная функция записывает полученные значения в файл и вывод в консоли Описание функции compute_derivation

Данная функция вычисляет производную

Описание функции _finite

Данная функция проверяет на конечность число.

Описание функции main

Данная функция служит для ввода исходных данных, объединения всех предыдущих функций, вычисления абсолютных и относительных погрешностей.

Используемые технические средства

Для выполнения программы достаточно вычислительной установки типа PC с процессором Pentium III (или быстрее) и 256 Мбайт оперативной памяти, оснащенной любой из следующих операционных систем: Windows NT и выше.

Вызов и загрузка

Для запуска программы derivation необходимо открыть директорию, в которой находится программа, и использовать (двойной или одиночный клик, в зависимости от настроек ОС) для запуска файл derivation.exe. После чего должна запуститься данная программа.

Текст программы

#include «main.h»

using namespace std;

char bufRus[256];

// файл для записи

ofstream *_out;

// Перевод в юникод

char* Rus (const char* text)

{

CharToOem (text, bufRus);

return bufRus;

}

// параметр m для первой функции

int param4func = 1;

// первая функция

double first_function (double x)

{

//cos2 (m*x)

return cos (param4func*x)*cos (param4func*x);

}

// аналитическое значение производной первой функции

double first_derivation_real (double x)

{ // -2 * sin (m*x)

return -2 * sin (param4func*x);

}

// вторая функция

double second_function (double x)

{

// 1/x2

return 1/(x*x);

}

// аналитическое значение производной второй функции

double second_derivation_real (double x)

{ // -2 * 1/x3

return -2 * 1/(x*x*x);

}

Показать весь текст
Заполнить форму текущей работой