Большая Советская Энциклопедия (ПР)

Большая Советская Энциклопедия

и для вычисления интегралов по отрезкам [a_i , a_i+1 ] применяются элементарные квадратурные формулы.

В формулах Гаусса m = 2n — 1, а при а = — 1, b = 1 узлы x_k являются корнями Лежандра многочленаP_n (x ) степени n,

а

A_k = 2(1– x²_k )^{– 1} (P’_n (x_k ))^{– 2}

Квадратурная формула Чебышева существует при A_k = l/n, l = b - а и x_k ^I [a, b ] лишь для n = 1,..., 7, 9; в ней m = n - 1. Применение равных весов минимизирует вероятностную ошибку, если значения f (x ) содержат независимые случайные ошибки с одинаковой дисперсией.

При вычислении интегралов от функций с периодом l наиболее употребительны квадратурные формулы типа Гаусса:

.

Существуют квадратурные формулы для вычисления интегралов вида

где р (х ) — фиксированная, т. н. весовая функция. Её подбирают так, чтобы для всех f ^I W функции f (x ) хорошо приближалась линейными комбинациями функций w_q (x ).

Для приближённого вычисления неопределённых интегралов их представляют как определённые интегралы с переменным верхним пределом и далее применяют указанные выше формулы.

Таблицы узлов и весов, а также оценки погрешности квадратурных формул приводятся в специальных справочниках.

Квадратурные формулы вычисления кратных интегралов иногда называются кубатурными формулами. Кратные интегралы можно вычислять как повторные интегралы, применяя описанные квадратурные формулы. Т. к. при увеличении кратности существенно возрастает количество узлов, то для вычисления кратных интегралов разработан ряд специальных формул.

Вычисление интегралов на ЭВМ обычно осуществляется с помощью стандартных программ. В случае однократных интегралов наиболее употребительны стандартные программы с автоматическим выбором шага.

Лит.: Крылов В. И., Приближенное вычисление интегралов, 2 изд., М., 1967; Бахвалов Н. С., Численные методы, М., 1973; Никольский С. М., Квадратурные формулы, М., 1958; Березин И. С., Жидков Н. П., Методы вычисления, 3 изд., ч. 1, М., 1966; Соболев С. Л., Введение в теорию кубатурных формул, М., 1974; Коробов Н. М., Теоретикочисловые методы в приближенном анализе, М., 1963.

В. И. Лебедев.

Приближённое решение

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

П. р. 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 П. р. останавливаются на некотором шаге процесса.

Если решение ищется в виде бесконечного ряда, то за П. р. принимают конечный отрезок ряда. Например, пусть требуется найти решение дифференциального уравнения y' = f (x, у ), удовлетворяющее начальным условиям у (х ) = y _, причём известно, что f (x, у ) — аналитическая функция х, у в некоторой окрестности точки (х _{, y ). Тогда решение можно искать в виде степенного ряда:}

y (x )– y (x ) =

.

Коэффициенты A_k ряда могут быть найдены либо по формулам:

A₁ = y’ = f (x _{, y );}

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

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 П. р. 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 )