Numeeriset menetelmät

Samankaltaiset tiedostot
Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 8. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 8 () Numeeriset menetelmät / 35

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 6. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 6 () Numeeriset menetelmät / 33

Numeeriset menetelmät

Numeeriset menetelmät

Numeeriset menetelmät

Numeeriset menetelmät

Numeeriset menetelmät

Pienimmän neliösumman menetelmä

k=0 saanto jokaisen kolmannen asteen polynomin. Tukipisteet on talloin valittu

Numeerinen integrointi

Numeeriset menetelmät

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 9. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 9 () Numeeriset menetelmät / 29

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 7. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 7 () Numeeriset menetelmät / 43

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 11. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 11 () Numeeriset menetelmät / 37

Numeeriset menetelmät

Numeerinen integrointi ja derivointi

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 12. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 12 () Numeeriset menetelmät / 33

BM20A1501 Numeeriset menetelmät 1 - AIMO

Numeerinen integrointi

Oletetaan, että funktio f on määritelty jollakin välillä ]x 0 δ, x 0 + δ[. Sen derivaatta pisteessä x 0 on

Numeeriset menetelmät

Funktioiden approksimointi ja interpolointi

Esimerkki 8. Ratkaise lineaarinen yhtälöryhmä. 3x + 5y = 22 3x + 4y = 4 4x 8y = r 1 + r r 3 4r 1. LM1, Kesä /68

13. Taylorin polynomi; funktioiden approksimoinnista. Muodosta viidennen asteen Taylorin polynomi kehityskeskuksena origo funktiolle

Informaatiotieteiden yksikkö. Lineaarialgebra 1B. Pentti Haukkanen. Puhtaaksikirjoitus: Joona Hirvonen

Numeeriset menetelmät

Osoita, että täsmälleen yksi vektoriavaruuden ehto ei ole voimassa.

F {f(t)} ˆf(ω) = 1. F { f (n)} = (iω) n F {f}. (11) BM20A INTEGRAALIMUUNNOKSET Harjoitus 10, viikko 46/2015. Fourier-integraali:

PERUSASIOITA ALGEBRASTA

Ortogonaaliprojektio äärellisulotteiselle aliavaruudelle

Numeeriset menetelmät Pekka Vienonen

Kanta ja Kannan-vaihto

Numeeriset menetelmät

Kanta ja dimensio 1 / 23

Tyyppi metalli puu lasi työ I II III

x = y x i = y i i = 1, 2; x + y = (x 1 + y 1, x 2 + y 2 ); x y = (x 1 y 1, x 2 + y 2 );

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 4: Ketjusäännöt ja lineaarinen approksimointi

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

Matemaattinen Analyysi / kertaus

1. Normi ja sisätulo

Potenssisummia numeerisella integroinnilla

min x x2 2 x 1 + x 2 1 = 0 (1) 2x1 1, h = f = 4x 2 2x1 + v = 0 4x 2 + v = 0 min x x3 2 x1 = ± v/3 = ±a x 2 = ± v/3 = ±a, a > 0 0 6x 2

Ratkaisu: Tutkitaan derivoituvuutta Cauchy-Riemannin yhtälöillä: f(x, y) = u(x, y) + iv(x, y) = 2x + ixy 2. 2 = 2xy xy = 1

x = y x i = y i i = 1, 2; x + y = (x 1 + y 1, x 2 + y 2 ); x y = (x 1 y 1, x 2 + y 2 );

1.7 Gradientti ja suunnatut derivaatat

(1.1) Ae j = a k,j e k.

FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI Johdanto

1 Rajoittamaton optimointi

Matematiikan tukikurssi

1 Sisätulo- ja normiavaruudet

peitteestä voidaan valita äärellinen osapeite). Äärellisen monen nollajoukon yhdiste on nollajoukko.

Matriisialgebra harjoitukset, syksy 2015

802320A LINEAARIALGEBRA OSA II

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 7: Pienimmän neliösumman menetelmä ja Newtonin menetelmä.

Lineaarikombinaatio, lineaarinen riippuvuus/riippumattomuus

x 0 x 1 x 2... x n y 0 y 1 y 2... y n Taulukko 1:

Insinöörimatematiikka D

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 5: Gradientti ja suunnattu derivaatta. Vektoriarvoiset funktiot. Taylor-approksimaatio.

Ominaisvektoreiden lineaarinen riippumattomuus

1 Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus

3. Reaalifunktioiden määräämätön integraali

Luento 9: Yhtälörajoitukset optimoinnissa

Kuvaus. Määritelmä. LM2, Kesä /160

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Matriisit ja vektorit Matriisin käsite Matriisialgebra. Olkoon A = , B = Laske A + B, , 1 3 3

2.7 Neliöjuuriyhtälö ja -epäyhtälö

Kannan vektorit siis virittävät aliavaruuden, ja lisäksi kanta on vapaa. Lauseesta 7.6 saadaan seuraava hyvin käyttökelpoinen tulos:

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

a b c d

Jos havaitaan päivän ylin lämpötila, mittaustuloksissa voi esiintyä seuraavantyyppisiä virheitä:

Numeeriset Menetelmät

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II. LM2, Kesä /141

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 7, Kevät 2018

6 MATRIISIN DIAGONALISOINTI

Matikkapaja keskiviikkoisin klo Lineaarialgebra (muut ko) p. 1/81

Neliömatriisi A on ortogonaalinen (eli ortogonaalimatriisi), jos sen alkiot ovat reaalisia ja

Viikon aiheet. Funktion lineaarinen approksimointi

8. Avoimen kuvauksen lause

, c) x = 0 tai x = 2. = x 3. 9 = 2 3, = eli kun x = 5 tai x = 1. Näistä

f[x i ] = f i, f[x i,..., x j ] = f[x i+1,..., x j ] f[x i,..., x j 1 ] x j x i T n+1 (x) = 2xT n (x) T n 1 (x), T 0 (x) = 1, T 1 (x) = x.

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

Luku 4. Derivoituvien funktioiden ominaisuuksia.

4.3.7 Epäoleellinen integraali

3.1 Lineaarikuvaukset. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. 3.1 Lineaarikuvaukset. 3.1 Lineaarikuvaukset

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

1 2 x2 + 1 dx. (2p) x + 2dx. Kummankin integraalin laskeminen oikein (vastaukset 12 ja 20 ) antaa erikseen (2p) (integraalifunktiot

Vapaus. Määritelmä. jos c 1 v 1 + c 2 v c k v k = 0 joillakin c 1,..., c k R, niin c 1 = 0, c 2 = 0,..., c k = 0.

Matriisiteoria Harjoitus 1, kevät Olkoon. cos α sin α A(α) = . sin α cos α. Osoita, että A(α + β) = A(α)A(β). Mikä matriisi A(α)A( α) on?

Kompleksianalyysi, viikko 6

Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt Harjoitus 4 / Ratkaisut

Matematiikka B3 - Avoin yliopisto

3.4 Käänteiskuvauslause ja implisiittifunktiolause

Demorastitiedot saat demonstraattori Markus Niskaselta Lineaarialgebra (muut ko) p. 1/104

H5 Malliratkaisut - Tehtävä 1

Antti Rasila. Kevät Matematiikan ja systeemianalyysin laitos Aalto-yliopisto. Antti Rasila (Aalto-yliopisto) MS-A0204 Kevät / 16

Numeerinen integrointi

Aiheet. Kvadraattinen yhtälöryhmä. Kvadraattinen homogeeninen YR. Vapaa tai sidottu matriisi. Vapauden tutkiminen. Yhteenvetoa.

( ) ( ) ( ) ( ( ) Pyramidi 4 Analyyttinen geometria tehtävien ratkaisut sivu 271 Päivitetty a) = keskipistemuoto.

Matematiikan tukikurssi

Numeeriset menetelmät

Transkriptio:

Numeeriset menetelmät Luento 9 Ti 4.10.2011 Timo Männikkö Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 1/44 p. 1/44

Funktion approksimointi Etsitään p siten, että p f, mutta ei vaadita, että p(x) = f(x) tietyissä pisteissä x Yleisesti: Etsitään annetulle f V approksimaatio p Ṽ siten, että f p f q q Ṽ missä V on jokin normiavaruus ja Ṽ sen äärellisulotteinen aliavaruus Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 2/44 p. 2/44

Pienimmän neliön approksimointi Yleinen approksimaatiotehtävä epälineaarinen yhtälöryhmä Pienimmän neliön approksimointi lineaarinen yhtälöryhmä Etsitään f:lle approksimaatiota p siten, että f p on mahdollisimman pieni Pienimmän neliön : f p minimi f p 2 minimi Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 3/44 p. 3/44

Pienimmän neliön approksimointi Sisätuloavaruus V ja sen aliavaruus Ṽ Sisätulo, ja normi u = u, u 1/2 u + v 2 = u 2 + 2 u, v + v 2 Tehtävä: Annetulle f V etsi p f p on mahdollisimman pieni Ṽ siten, että Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 4/44 p. 4/44

Pienimmän neliön approksimointi Lause: Funktio p Ṽ on funktion f V pienimmän neliön approksimaatio, jos ja vain jos f p, v = 0 v Ṽ Todistus : Olkoon p Ṽ funktion f V pienimmän neliön approksimaatio f p f q q Ṽ Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 5/44 p. 5/44

Todistus jatkuu Olkoot q Ṽ ja λ > 0 mielivaltaiset p λq Ṽ ja f p f (p λq) f p 2 (f p) + λq 2 = f p 2 + 2λ f p, q + λ 2 q 2 0 2λ f p, q + λ 2 q 2 Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 6/44 p. 6/44

Todistus jatkuu 2λ f p, q + λ 2 q 2 0 1/(2λ) f p, q + λ 2 q 2 0 λ 0 f p, q 0 Vaihdetaan q:n paikalle q f p, q 0 Joten f p, q = 0 q Ṽ Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 7/44 p. 7/44

Todistus jatkuu Todistus : Olkoon f p, q = 0 q Ṽ f q 2 = (f p) + (p q) 2 = f p 2 + 2 f p, p q } {{ } =0 f p 2 + p q 2 } {{ } 0 f p f q q Ṽ Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 8/44 p. 8/44

Todistus jatkuu Yksikäsitteisyys: Olkoot p 1 ja p 2 pienimmän neliön approksimaatioita f p 1, v = 0 v Ṽ f p 2, v = 0 v Ṽ p 2 p 1, v = 0 v Ṽ p 2 p 1, p 2 p 1 = p 2 p 1 2 = 0 p 1 = p 2 Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 9/44 p. 9/44

Konstruointi kantafunktioilla Olkoon {ϕ 1,..., ϕ n } aliavaruuden Ṽ kanta, jolloin p = n j=1 c j ϕ j Riittää vaatia, että ehto f p, v = 0 on voimassa kantafunktioille: n f c j ϕ j, ϕ i = 0, i = 1, 2,..., n j=1 Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 10/44 p. 10/44

Konstruointi jatkuu n j=1 c j ϕ j, ϕ i } {{ } = f, ϕ i, } {{ } i = 1, 2,..., n =a ij =f i Ac = f Matriisia A sanotaan Gramin matriisiksi Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 11/44 p. 11/44

Esimerkki Kantafunktiot: ϕ 1 (x) = x, ϕ 2 (x) = x 3, ϕ 3 (x) = x 5 ϕ i (x) = x 2i 1, i = 1, 2, 3 Sisätulo: u, v = 1 1 u(x)v(x) dx f(x) = sinx, p(x) = c 1 x + c 2 x 3 + c 3 x 5 Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 12/44 p. 12/44

Esimerkki jatkuu a ij = ϕ j, ϕ i = = = 1 1 2 2i + 2j 1 A = x 2i 1 x 2j 1 dx = 2/3 2/5 2/7 2/5 2/7 2/9 2/7 2/9 2/11 1 1 x 2i+2j 2 dx Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 13/44 p. 13/44

Esimerkki jatkuu 1 f i = f, ϕ i = x 2i 1 sin x dx 1 2 sin 1 2 cos 1 = = 10 cos 1 6 sin 1 130 sin 1 202 cos 1 Ac = f c =... Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 14/44 p. 14/44

Kannan valinta Kanta on lineaarisesti riippumaton Gramin matriisi on aina kääntyvä Mutta sillä voi olla suuri häiriöalttius numeerisesti epästabiili Ortonormaali kanta: ϕ i, ϕ j = δ ij = { 1, i = j 0, i j Gramin matriisi A = I c = f Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 15/44 p. 15/44

Esimerkki Normeeratut Legendgen polynomit muodostavat ortonormeeratun kannan: ˆϕ 1 (x) = 1 2/3 x ˆϕ 2 (x) = 1 8/7 (5x 3 3x) ˆϕ 3 (x) = 1 128/11 (63x 5 70x 3 + 15x) Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 16/44 p. 16/44

Esimerkki jatkuu Sama esimerkki kuin edellä: u, v = 1 1 u(x)v(x) dx f(x) = sinx ˆp(x) = ĉ 1 ˆϕ 1 (x) + ĉ 2 ˆϕ 2 (x) + ĉ 3 ˆϕ 3 (x)... ˆp(x) = sama polynomi kun edellä (mutta eri kertoimilla, koska eri kantafunktiot) Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 17/44 p. 17/44

Pienimmän neliösumman appr. Pienimmän neliön approksimaation diskreetti vastine Havaintopisteet: x k, k = 1, 2,..., m Funktion f : R R arvot tunnetaan vain havaintopisteissä: ˆf k = f(x k ) Funktio f samaistetaan vektoriin ˆf R m Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 18/44 p. 18/44

Pienimmän neliösumman appr. Diskreetti sisätulo u, v = ja vastaava normi m k=1 u(x k )v(x k ) u = ( m k=1 u(x k ) 2 ) 1/2 Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 19/44 p. 19/44

Konstruointi kantafunktioilla Kantafunktiot: ϕ j, j = 1, 2,..., n Approksimaation kehitelmä: p(x) = n j=1 c jϕ j (x) Tehtävä: Etsi c j :t siten, että f p = ( m ) 1/2 [f(x k ) p(x k )] 2 k=1 on mahdollisimman pieni Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 20/44 p. 20/44

Konstruointi jatkuu Kuten edellä: Riittää vaatia, että ehto f p, v = 0 on voimassa kantafunktioille: n f c j ϕ j, ϕ i = 0, i = 1, 2,..., n j=1 m [ f(x k ) n ] c j ϕ j (x k ) ϕ i (x k ) = 0 k=1 j=1 Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 21/44 p. 21/44

Konstruointi jatkuu m k=1 n j=1 [ n j=1 c j m k=1 ] c j ϕ j (x k ) ϕ i (x k ) = ϕ i (x k )ϕ j (x k ) } {{ } =a ij = Ac = f m k=1 m k=1 f(x k )ϕ i (x k ) f(x k )ϕ i (x k ) } {{ } =f i Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 22/44 p. 22/44

Konstruointi jatkuu Olkoon B R m n ja ˆf R m siten, että b ij = ϕ j (x i ), ˆfi = f(x i ) m m m a ij = ϕ i (x k )ϕ j (x k ) = b ki b kj = (b T ) ik b kj k=1 k=1 k=1 m m m f i = f(x k )ϕ i (x k ) = b ki ˆfk = (b T ) ik ˆfk k=1 k=1 k=1 Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 23/44 p. 23/44

Konstruointi jatkuu A = B T B, f = B T ˆf Ratkaistaan lineaarinen yhtälöryhmä Ac = f B T Bc = B T ˆf Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 24/44 p. 24/44

Pienimmän neliösumman appr. Havaintopisteitä yhtä monta kuin tuntemattomia kertoimia (m = n) interpolaatiotehtävä Yleensä pienimmän neliösumman approksimaatiota käytetään tilanteissa, joissa funktion arvot sisältävät epätarkkuuksia (mittausvirheitä tms.) Suuri määrä mittaustuloksia (m suuri), yksinkertainen malli (n pieni) Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 25/44 p. 25/44

Esimerkki Havaintopisteet: (1, 2), (2, 2), (3, 3), (3, 5), (4, 6) Kantafunktiot: ϕ 1 (x) = 1, ϕ 2 (x) = x, ϕ 3 (x) = x 2 Approksimaatio: p 2 (x) = c 1 + c 2 x + c 3 x 2 b ij = ϕ j (x i ), i = 1, 2, 3, 4, 5, j = 1, 2, 3 ˆf i = f(x i ), i = 1, 2, 3, 4, 5 Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 26/44 p. 26/44

Esimerkki jatkuu B = 1 1 1 1 2 4 1 3 9 1 3 9 1 4 16, ˆf = 2 2 3 5 6 Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 27/44 p. 27/44

Esimerkki jatkuu B T B = 5 13 39 13 39 127, B T ˆf = 39 127 435 18 54 178 Ac = f B T Bc = B T ˆf c =... Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 28/44 p. 28/44

Numeerinen integrointi Yksiulotteinen Riemannin integraali: b a f(x)dx Yleisessä tapauksessa ei voida laskea analyyttisesti Toisaalta f:n analyyttinen lauseke ei ole aina käytössä Numeerinen integrointi eli kvadratuuri Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 29/44 p. 29/44

Numeerinen integrointi Yleinen integrointikaava b a w(x)f(x)dx = k i=1 A i f(x i ) + E[f] f integroitava funktio w painofunktio (w > 0, voi olla w 1) x i integrointipisteet A i painokertoimet E[f] virhetermi Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 30/44 p. 30/44

Tarkkuusaste Määritelmä: Kaavan tarkkuusaste on d, jos se on tarkka (E[f] = 0) kaikilla polynomeilla, joiden asteluku on d jos on olemassa (d + 1)-asteinen polynomi, jolle se ei ole tarkka Lause: Jos on annettu integrointipisteet a x 1 < x 2 < < x k 1 < x k b, niin on olemassa painokertoimet A 1, A 2,..., A k siten, että kaavan tarkkuusaste on vähintään k 1 Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 31/44 p. 31/44

Lauseen todistus Kaava on tarkka monomeille x m, jos k i=1 A i x m i = b a w(x)x m dx, m = 0, 1,..., k 1 Lineaarinen yhtälöryhmä, jossa kerroinmatriisi on Vandermonden matriisi 1 1... 1 x 1 x 2... x k X =... x1 k 1 x2 k 1... x k 1 k Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 32/44 p. 32/44

Todistus jatkuu det X = k i=2 i 1 j=1 (x i x j ) Pisteet x i erisuuria det X 0 Yhtälöryhmällä yksikäsitteinen ratkaisu Kaava tarkka kaikille x m, m = 0, 1,..., k 1 Tarkka kaikille niiden lineaarikombinaatioille Tarkka (k 1)-asteisille polynomeille Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 33/44 p. 33/44

Painokertoimien laskeminen Vandermonden matriisi häiriöaltis Lasketaan painokertoimet suoraan Lagrangen kantafunktiot: l j (x) = k m=1 m j ( x xm ), j = 1, 2,..., k x j x m l j (x i ) = δ ij = { 1, i = j 0, i j Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 34/44 p. 34/44

Painokertoimien laskeminen Kantafunktiot l j :t korkeintaan (k 1)-asteisia polynomeja Kaava tarkka niille b a w(x)l j (x)dx = = k i=1 k A i l j (x i ) A i δ ij = A j i=1 Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 35/44 p. 35/44

Newtonin ja Cotesin kaavat Tehtävä: b a f(x)dx Tasavälinen pisteistö, jossa k + 1 pistettä Merkitään f i = f(x i ) Muodostetaan pisteistöön interpolaatiopolynomi p k Integroidaan interpolaatiopolynomi: b a p k(x)dx Approksimoidaan b a f(x)dx b a p k(x)dx Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 36/44 p. 36/44

Suljetut kaavat Suljetut kaavat: Välin [a, b] päätepisteet ovat mukana pisteistössä Pisteistö: a = x 0 < x 1 < < x k 1 < x k = b x i = x 0 + ih, (i = 0, 1,..., k) x 0 = a, x k = b, h = (b a)/k Muodostetaan p k :n lauseke etenevien differenssien avulla (Eteneviä differenssejä ei käsitelty) (Mutta: Interpolaatiopolynomi on yksikäsitteinen) Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 37/44 p. 37/44

Suljettujen kaavojen virhe Olkoot f (k+1) ja f (k+2) jatkuvia välillä [a, b] E[f] = missä ξ ]0, k[ h k+3 (k + 2)! f(k+2) (x 0 + ξh) k 0 s 2 (s 1) (s k)ds, h k+2 (k + 1)! f(k+1) (x 0 + ξh) k 0 s(s 1) (s k)ds, k parillinen k pariton Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 38/44 p. 38/44

Tarkkuusaste ja menetelmävirhe Merkitään f (k) (x 0 + ξh) = f (k) (η), missä η ]a, b[ Tarkkuusaste: k = 1: E[f] =... f (η)... d = 1 k = 2: E[f] =... f (4) (η)... d = 3 k = 3: E[f] =... f (4) (η)... d = 3 Menetelmävirhe: k = 1: E[f] =... h 3... O(h 3 ) k = 2: E[f] =... h 5... O(h 5 ) k = 3: E[f] =... h 5... O(h 5 ) Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 39/44 p. 39/44

Suljettuja kaavoja k = 1: Puolisuunnikassääntö b a f(x)dx = h 2 (f 0 + f 1 ) h3 12 f (η) f(x) a b x Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 40/44 p. 40/44

Suljettuja kaavoja k = 2: Simpsonin kaava b a f(x)dx = h 3 (f 0 + 4f 1 + f 2 ) h5 90 f(4) (η) k = 3: Simpsonin 3/8-kaava b a f(x)dx = 3h 8 (f 0 + 3f 1 + 3f 2 + f 3 ) 3h5 80 f(4) (η) Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 41/44 p. 41/44

Avoimet kaavat Avoimet kaavat: Vain välin [a, b] sisäpisteet ovat mukana pisteistössä Pisteistö: a < x 0 < x 1 < < x k 1 < x k < b x i = x 0 + ih, (i = 0, 1,..., k) x 1 = a, x 0 = a + h, x k = b h, x k+1 = b h = (b a)/(k + 2) Muodostetaan p k :n lauseke etenevien differenssien avulla Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 42/44 p. 42/44

Avoimien kaavojen virhe Olkoot f (k+1) ja f (k+2) jatkuvia välillä [a, b] E[f] = h k+3 (k + 2)! f(k+2) (x 0 + ξh) k+1 1 s 2 (s 1) (s k)ds, h k+2 (k + 1)! f(k+1) (x 0 + ξh) k+1 1 missä ξ ] 1,k + 1[ s(s 1) (s k)ds, k parillinen k pariton Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 43/44 p. 43/44

Avoimia kaavoja k = 0: Keskipistesääntö b a f(x)dx = 2hf 0 + h3 3 f (η) f 0 f(x) a = x 1 x 0 b = x 1 Numeeriset menetelmät Syksy 2011 Luento 9 Ti 4.10.2011 p. 44/44 p. 44/44