Numerisk derivasjon og integrasjon utledning av feilestimater

Like dokumenter
9.6 Tilnærminger til deriverte og integraler

1 Mandag 25. januar 2010

Numerisk Integrasjon

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 8 Numerisk integrasjon

Feilestimeringer. i MAT-INF1100

LEDDVIS INTEGRASJON OG DERIVASJON AV POTENSREKKER: a n x n. R > 0, med summen s(x). Da gjelder: a n n + 1 xn+1 for hver x < R.

LEDDVIS INTEGRASJON OG DERIVASJON AV POTENSREKKER:

Integrasjon Skoleprosjekt MAT4010

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 9 Numerisk integrasjon

Numerisk kvadratur. PROBLEM STILLING: Approksimér. f(x)dx. I(f) = hvor f : R R. Numerisk sett, integralet I(f) = b. f(x)dx approksimeres med en summe

Numerisk kvadratur. Newton-Cotes kvadratur. PROBLEM STILLING: Approksimér. I(f) = f(x)dx. hvor f : R R kan Riemann-integreres.

MAT 100A: Mappeeksamen 4

MAT 100a - LAB 4. Før vi gjør dette, skal vi for ordens skyld gjennomgå Maple-kommandoene for integrasjon (cf. GswM kap. 12).

Kvadratur. I(f) = f(x)dx.

Numerisk matematikk. Fra Matematikk 3MX (2002) Side

Fasit til utvalgte oppgaver MAT1100, uka 20-24/9

1 Mandag 18. januar 2010

Dagens program. 7.6 Numerisk integrasjon (fortsatt) 7.7 Uegentlige integraler

Integrasjon av trigonometriske funksjoner

1 Mandag 1. mars 2010

M2, vår 2008 Funksjonslære Integrasjon

Derivasjon. Oversikt over Matematikk 1. Derivasjon anvendelser. Sekantsetningen

Bioberegninger - notat 3: Anvendelser av Newton s metode

KAPITTEL 9 Approksimasjon av funksjoner

Forkunnskaper i matematikk for fysikkstudenter. Integrasjon.

1 k 2 + 1, k= 5. i=1. i = k + 6 eller k = i 6. m+6. (i 6) i=1

Integrasjon Fundamentalteoremet Substitusjon Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Løsningsforslag Kollokvium 1

a 2πf(x) 1 + (f (x)) 2 dx.

Kap. 3 Krumningsflatemetoden

Litt om numerisk integrasjon og derivasjon og løsningsforslag til noen ekstraoppgaver MAT-INF 1100 uke 48 (22/11-26/11)

E K S A M E N. Matematikk 3MX. Elevar/Elever Privatistar/Privatister. AA6524/AA desember 2004 UTDANNINGSDIREKTORATET

Arne B. Sletsjøe. Kompendium, MAT 1012

Arne B. Sletsjøe. Kompendium, MAT 1012

Integrasjon del 2. October 15, Department of Mathematical Sciences, NTNU, Norway. Integrasjon

Eneboerspillet. Håvard Johnsbråten

Integralregning. Mål. for opplæringen er at eleven skal kunne

Løsningsforslag Kollokvium 6

Integrasjon. et supplement til Kalkulus. Harald Hanche-Olsen 14. november 2016

Projeksjon. Kapittel 11. Ortogonal projeksjon i R 2. Skalarproduktet i R n. w på v. Fra figuren ovenfor ser vi at komponenten til w ortogonalt på v er

x 1, x 2,..., x n. En lineær funksjon i n variable er en funksjon f(x 1, x 2,..., x n ) = a 1 x 1 + a 2 x a n x n,

Arne B. Sletsjøe. Kompendium, MAT 1012

Innlevering i TRFE 1000 Frist: 14. april Løysingsforslag

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Høsten Løsningsforslag til øving 8. a = e m E

Oppfriskningskurs i matematikk 2007

Faktorisering. 1 Hva er faktorisering? 2 Hvorfor skal vi faktorisere? Per G. Østerlie Senter for IKT i utdanningen 11.

MED SVARFORSLAG UNIVERSITETET I OSLO

5: Algebra. Oppgaver Innhold Dato

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Lsningsforslag til ving 8. a =

Temahefte nr. 1. Hvordan du regner med hele tall

Brøkregning og likninger med teskje

Fakultet for realfag Ho/gskolen i Agder - Va ren 2007

1 Mandag 8. mars 2010

Eksempel Funksjonen f (x)=x 3 er strengt voksende. vokser på intervallet [0, ) og avtar på intervallet

Ma1101. Part I. 1 Grunnleggende. 1.1 Noen symboler. 1.2 Tallene. 1.3 Noen algebraiske lover

TMA4100 Matematikk1 Høst 2008

Multippel integrasjon. Geir Ellingsrud

Kalkulus 2. Volum av et omdreiningslegeme. Rotasjon rundt x-aksen

Løsningsforslag til avsluttende eksamen i HUMIT1750 høsten 2003.

Kapittel 4.7. Newtons metode. Kapittel 4.8.

EKSAMEN. ANTALL SIDER UTLEVERT: 7 (innkl. forside og 2 sider formelark)

Kapittel 4 Tall og algebra Mer øving

2x 3 4/x dx. 2 5 x 3 + LF: Vi utfører polynomdivisjon. 2x + 1 dx = + C = 5x8/ ln 2x C 4. πx 2 e 3x3 dx = π

6. Beregning av treghetsmoment.

Tema 2: Stokastiske variabler og sannsynlighetsfordelinger Kapittel 3 ST :44 (Gunnar Taraldsen)

R2 - Heldagsprøve våren 2013

Integral Kokeboken. sin(πx 2 ) sinh 2 (πx) dx = 2. 1 log x. + log(log x) dx = x log(log x) + C. cos(x 2 ) + sin(x 2 ) dx = 2π. x s 1 e x 1 dx = Γ(s)

... JULEPRØVE 9. trinn...

Mer øving til kapittel 2

S1 kapittel 6 Derivasjon Løsninger til oppgavene i boka

Terminprøve Matematikk for 1P 1NA høsten 2014

UNIVERSITETET I OSLO

Effektivitet og fordeling

UNIVERSITETET I OSLO

Terminprøve Matematikk Påbygging høsten 2014

Fasit. Grunnbok. Kapittel 2. Bokmål

Oblig 1 - vår 2015 MAT1012

Formelsamling i matematikk

9 Potenser. Logaritmer

Eksamen våren 2018 Løsninger

1 Tallregning og algebra

Sammendrag kapittel 1 - Aritmetikk og algebra

... JULEPRØVE

Nytt skoleår, nye bøker, nye muligheter!

Sensorveiledning Oppgaveverksted 4, høst 2013 (basert på eksamen vår 2011)

Eksamen R2, Va ren 2014, løsning

Årsprøve trinn Del 2

UNIVERSITETET I OSLO

EKSAMEN. 1. klassene, ingenørutdanning og flexing. ANTALL SIDER UTLEVERT: 5(innkl. forside og 2 sider formelark)

Kapittel 3. Potensregning

addisjon av 2 og 3. Vi skriver da i alt: 2+3= og etter at likhetstegnet er skrevet så gir matcad oss svaret.

1 dx cos 1 x =, 1 x 2 sammen med kjerneregelen for derivasjon. For å forenkle utregningen lar vi u = Vi regner først ut den deriverte til u,

6 Brøk. Matematisk innhold Brøk i praktiske situasjoner Brøk som del av en mengde. Utstyr Eventuelt ulike konkreter, som brikker og knapper

DEL 1 Uten hjelpemidler

R1 kapittel 1 Algebra

S1 kapittel 4 Logaritmer Løsninger til oppgavene i boka

Eksamen høsten 2015 Løsninger

MAT 1110: Løsningsforslag til obligatorisk oppgave 2, V-06

Løsningsforslag til Eksamen i fag MA1103 Flerdimensjonal analyse

DEL 1 Uten hjelpemidler

Transkript:

Numerisk derivsjon og integrsjon utledning v feilestimter Knut Mørken 6 oktober 007 1 Innledning På forelesningen /10 brukte vi litt tid på å repetere inhomogene differensligninger og rkk dermed ikke gjennomgå lt stoffet som vr plnlgt Dette nottet oppsummerer hovedtrekkene i forelesningen, også den delen jeg ikke rkk Hvorfor numerisk integrsjon og derivsjon? Mnge funksjoner som kn forekomme i prksis foreligger ikke ved et symbolsk uttrykk som kn deriveres og integreres Funksjonen kn for eksempel være resultt v målinger, eller kn bre foreligge som en funksjon progrmmert på dtmskin som genererer numeriske funksjonsverdier når vi sender inn et rgument Når det gjelder integrsjon er det dessuten slik t de fleste funksjoner ikke kn integreres symbolsk Det er derfor behov for metoder som lr oss beregne tilnærminger til deriverte og integrler ved hjelp v funksjonsverdier 3 Trpesmetoden Mndg 1/10 så vi rskt på noen metoder for numerisk derivsjon og integrsjon Tirsdg /10 så vi på trpesmetoden i litt mer detlj Utledningen v trpesmetoden består v tre trinn 1 Grunnleggende ide Tilnærm en funksjon f på et intervll [x i 1, x i ] med den rette linj som går gjennom punktene (x i 1, f(x i 1 )) og (x i, f(x i )), 1

ltså seknten p i til f gjennom disse to punktene Vi tilnærmer så integrlet v f med integrlet v p i, f(x) dx p i (x) dx x i 1 x i 1 Tegner du en figur vil du se t området vi skl finne relet v når vi bruker p i er et trpes Vi hr derfor p i (x) dx = f(x i 1) + f(x i ) x i 1 (x i x i 1 ) Summer opp bidrgene fr delintervllene Når vi skl integrere over et intervll [, b] deler vi dette i mindre biter, = x 0 < x 1 < x < < x n 1 < x n = b, og summerer opp relene over hvert delintervll, f(x) dx = = x i 1 f(x) dx x i 1 p i (x) dx f(x i 1 ) + f(x i ) (x i x i 1 ) 3 Forbered formelen for progrmmering Formelen over kn i og for seg godt progrmmeres direkte, men det er som regel lurt å se om det er mulighet for effektivisering For det første er det vnlig å nt t punktene {x i } n i=0 er jevnt fordelt i intervllet [, b] Dette vil si t x i = + ih, i = 0, 1,, n, der h = (b )/n = x i x i 1 Dermed hr vi f(x) dx h ( f(xi 1 ) + f(x i ) ) Vi ser t dette sprer oss for en multipliksjon hver gng vi løper gjennom summsjonsløkken Skriver vi ut summen som gjenstår ser vi t den svrer

til ( f(xi 1 ) + f(x i ) ) i= {}}{{}}{ = f(x 0 ) + f(x 1 ) + f(x 1 ) + f(x ) + Dermed hr vi i=n 1 i=n {}}{{}}{ + f(x n ) + f(x n 1 ) + f(x n 1 ) + f(x n ) n 1 = f() + f(b) + f(x i ) f(x) dx h ( n 1 ) f() + f(b) + f(x i ) som nesten hlverer ntll beregninger v funksjonsverdier Når f er en enkel funksjon betyr ikke dette så mye, men hvis det er krevende å finne f(x) kn regnetiden med et slikt enkelt grep knskje reduseres fr to dger til en dg! Unsett er det en god regel å ikke gjøre unødige beregninger Du kn lese mer om trpesmetoden og hvordn den kn progrmmeres på sidene 104 107 i det norske kompendiet og i seksjon 87 i Klkulus 4 Simpsons formel Simpsons formel er nlog med trpesregelen, men er bsert på å tilnærme f med prbler i stedenfor rette linjer En prbel er bestemt v verdien til f i tre punkter så vi må d dele opp [, b] i et like ntll delintervller (odde ntll punkter) for å få det hele til å gå opp Som for trpesregelen er det viktig å finpusse formelen slik t den kn progrmmeres effektivt, se seksjon 7 i det norske kompendiet 5 Vlg v h ved numerisk integrsjon Når numerisk integrsjon brukes i prksis er det viktig å vite hvor stor h må være To strtegier er d vnlig å bruke 51 Numerisk bestemmelse v h Ant t vi skl integrere f numerisk på intervllet [, b] ved hjelp v trpesmetoden Vi kn d først beregne en tilnærming T 0 til integrlet der vi bre 3

tilnærmer f med en rett linje Vi kn så hlvere h og beregne en tilnærming T 1 med to linjesegmenter Vi hlverer igjen og beregner en tilnærming T med fire linjesegmenter også videre Vi generer ltså en følge T 0, T 1, T,, T j, v tilnærminget til integrlet Et vnlig stoppkriterium er å fortsette dette inntil forskjellen på to påfølgende tilnærminger er mindre enn en pssende tolernse, ltså T j T j+1 < ɛ, helt nlogt til det som ofte gjøres for for eksempel Newtons metode Dette er ingen grnti for konvergens, men i mngel v noe bedre er det vnlig Som lltid bør vi psse oss for bsolutt feil og heller bruke T j T j+1 T j+1 Et helt tilsvrende kriterium kn brukes med Simpsons metode Som nevnt over kn du lese mer om hvordn trpesmetoden kn progrmmeres på sidene 104 107 i det norske kompendiet 5 Bestemmelse v h ut fr feilestimt Det kn vises t om vi deler [, b] i n delintervller så er feilen i trpesmetoden begrenset ved f(x) dx h ( f() + f(b) + ) f(x i ) (b )3 1n M der M = mx x [,b] f (x) Hvis vi ønsker å bestemme integrlet slik t den sbolutte feilen er mindre enn ɛ kn vi ut fr dette finne n Den bsolutte feilen vil bli mindre enn ɛ hvis (b ) 3 1n M < ɛ Løser vi denne ulikheten med hensyn på n får vi (b ) 3 M n > 1ɛ Velger vi n som det minste heltllet som er større enn uttrykket på høyre side er vi ltså grntert t feilen vi gjør ved å bruke trpesmetoden er mindre enn ɛ Leggg merke til t vi d må kunne finne M som er mksimumsverdien til f på intervllet [, b] Dette vil som regel være vnskelig, men legg merke 4

til t vi kn ersttte M med en øvre grense Dette vil øke n, men grntere t feilen blir mindre enn ɛ Hvis for eksempel f(x) = sin x er f (x) = sin x slik t M 1, unsett hv [, b] er Legg merke til likheten mellom det å estimere n her og det å estimere ntll ledd vi må t med i Tylorpolynomet for å få feilen i en eller nnen tilnærming liten nok Dette kn du lese mer om i seksjonene 87 og 11 i Klkulus 6 Numerisk derivsjon Den enkleste formelen for numerisk derivsjon er bsert direkte på definisjonen v den deriverte, f () f( + h) f() h der h er lite tll I seksjon 96 i det norske kompendiet kn du finne ndre tilnærminger til den deriverte, for eksempel f () f( + h) f( h) h En nnen derivsjonsformel som frmkommer ved å interpolere f i punktene h, h,, + h og + h med et polynom p 4 v grd 4 og bruke tilnærmingen f () p 4 () er f () f( h) 8f( h) + 8f( + h) f( + h) 1h Når vi tilnærmer den deriverte som i (1) gjør vi åpenbrt en feil, så snt f ikke er en rett linje På den nnen side vil vi forvente t denne feilen blir mindre når vi lr h bli mindre Dette er i og for seg riktig, men hvis vi progrmmerer formelen over og prøver på en konkret funksjon vil vi se t feilen først vtr med h, for så å øke igjen når h blir liten Dette kommer v t en nnen feilkilde enn den rent mtemtiske kommer inn i bildet, nemlig vrundingsfeil Når h blir liten vil f( + h) og () bli omtrent like store og vi hr llerede sett t subtrksjon v to nesten like store tll vil kunne gi stor vrundingsfeil J, velger vi h liten nok vil f() og f( + h) bli vrundet til det smme flyttllet slik t tilnærmingen til den deriverte gitt ved (1) blir 0 Dette kn du lese mer om i seksjon 6 i det norske kompendiet Det smme skjer om vi bruker de ndre tilnærmingene over, men forskjellen er t feilen blir mindre før den begynner å øke igjen Du kn teste dette selv ved hjelp v progrmmet numderpy som du finner på kurshjemmesid 5 (1)

7 Generelt om numerisk derivsjon og integrsjon Det fins mnge lterntive metoder for numerisk derivsjon og integrsjon En stndrd måte å finne frm til slike metoder er ved å tilnærme funksjonen som skl deriveres eller integreres med et interpolsjonspolynom (se seksjon 91 i det norske kompendiet) og så derivere eller integrere dette polynomet i steden for den opprinnelige funksjonen, se innledningen til seksjon 96 på sidene 169 170 i det norske kompendiet Eksempler på dette er vist i seksjonene 961 og 96 i kompendiet Ved integrsjon er det så vnlig å dele opp intervllet i mindre deler og bruke en slik tilnærming på hvert delintervll Ved hjelp v Tylorpolynomer er det mulig å finne uttrykk for feilen i slike tilnærminger Flere eksempler på dette er vist i seksjon 963 Teknikken for å utlede feilestimter kn virke komplisert til å begynne med, men følger en fst oppskrift som er oppsummert på side 178 i seksjon 964 i det norske kompendiet 6