- •Г.Г КАШЕВАРОВА, Т.Б. ПЕРМЯКОВА
- •Предисловие
- •Введение
- •Общие сведения о математическом моделировании.
- •Численные методы
- •Элементы теории погрешности
- •Понятия мастера и надстройки
- •Глава 1. Основные понятия матричного исчисления. Матрицы в расчетах строительных объектов
- •1.1. Матрицы и векторы. Определения
- •1.2. Матрицы специального вида
- •1.3. Действия над матрицами
- •1.4. Нормы матрицы и вектора
- •1.5. Матрицы в задачах строительной механики
- •1.5.1. Матрицы влияния внутренних сил
- •1.5.2. Матричная форма расчета статически определимых ферм
- •1.5.3, Матричная форма метода сил
- •1.5.4. Матричная форма метода перемещений
- •1.6. Матрицы в расчетах инженерных сетей
- •1.7. Функции Excel для операций над матрицами
- •Категория: математические. Функции:
- •2.1. Системы линейных алгебраических уравнений
- •2.2.1. Метод Гаусса
- •2.2.2. Метод Гаусса для СЛАУ с ленточными матрицами
- •2.2.3. Метод прогонки
- •2.2.4. Метод (схема) Холецкого
- •2.3. Итерационные методы решения систем линейных алгебраических уравнений
- •2.3.1. Метод Якоби (простых итераций)
- •2.3.2. Метод Гаусса - Зейделя.
- •2.3.3. Условия сходимости итерационного процесса
- •2.5. Обусловленность задач и вычислений, или как узнать, что получены правильные ответы
- •2.6. Вычисление определителя
- •2.7. Вычисление обратной матрицы
- •2.8. Нахождение собственных значений и собственных векторов матриц
- •2.8.1. Вводные замечания
- •2.8.2. Методы развертывания вековых определителей
- •2.8.3. Итерационные методы определения максимального по модулю собственного значения
- •2.9.1. Реализация метода Гаусса средствами приложения Excel
- •Последовательность действий:
- •2.9.4. Реализация метода Зейделя средствами приложения Excel
- •Последовательность действий:
- •3.1. Отделение корней
- •3.2. Этап уточнения корня
- •3.2.1. Метод половинного деления (бисекций)
- •3.2.2.Метод хорд
- •3.2.3. Метод Ньютона (метод касательных)
- •3.2.4. Модифицированный метод Ньютона
- •3.3. Системы нелинейных уравнений
- •3.4. Реализация численных методов решения нелинейных уравнений средствами приложения Excel
- •3.4.1. Решение нелинейных уравнений
- •Последовательность действий
- •4.2.3. Интерполяционный полином Эрмита
- •4.2.4. Сплайн-интерполяция
- •Глава 4. Аппроксимация
- •4.1. Задача и способы аппроксимации
- •4.2. Интерполирование функций
- •4.2.1. Постановка задачи интерполирования
- •4.2.2. Интерполяционная формула Лагранжа
- •4.3. Среднеквадратичное приближение функций
- •4.3.1. Метод наименьших квадратов
- •4.3.4. Квадратичное (параболическое) приближение
- •4.3.4. Эмпирические формулы с двумя параметрами. Метод выравнивания
- •4.4. Решение задач аппроксимации с помощью электронных таблиц Excel
- •4.4.1. Построение линейной эмпирической формулы методом наименьших квадратов
- •Последовательность действий
- •Последовательность действий
- •5.1. Квадратурные формулы прямоугольников
- •5.2. Квадратурная формула трапеций
- •5.3. Квадратурная формула Симпсона
- •5.4. Реализация методов численного интегрирования средствами приложения Excel
- •Глава 6. Численные методы решения дифференциальных уравнений с начальными и краевыми условиями
- •6.1.1. Задачи Коши и краевые задачи
- •6.2.1.Классификация уравнений и типы задач
- •6.3. Численные методы решения задач Коши
- •6.3.1. Метод Эйлера
- •(геометрический метод решения задачи Коши)
- •6.4. Численные методы решения краевых задач
- •Разностная схема краевой задачи для обыкновенного дифференциального уравнения 2-го порядка
- •Конечно-разностная аппроксимация функций двух переменных
- •Сходимость метода конечных разностей
- •6.5. Вариационный подход к решению краевых задач
- •6.5.1. Основные понятия вариационного исчисления
- •6.5.2. Связь решения краевой задачи с нахождением минимума функционала
- •6.5.3. Метод Ритца
- •6.6.1. Решение задачи Коши методом Эйлера
- •Построение второй итерации
- •Последовательность действий.
- •Порядок построения графиков приближенных решений краевой задачи
- •Глава 7. Метод конечных элементов
- •7.1. Основные положения МКЭ
- •Построение расчетной модели
- •Аппроксимация искомой функции
- •Составление разрешающих уравнений
- •Решение системы линейных алгебраических уравнений
- •7.2.1. Классификация конечных элементов
- •Одномерный конечный элемент
- •Двухмерные конечные элементы.
- •элемента
- •Одномерный симплекс-элемент
- •Двухмерный треугольный симплекс-элемент
- •7.2.3. Интерполирование векторных величин
- •7.2.4. Разбиение области на конечные элементы
- •7.2.5 Нумерация узлов и элементов
- •7. 3. Основные соотношения МКЭ
- •7.3.1. Получение разрешающих уравнений на примере плоской задачи теории упругости
- •7.3.2. Примеры разрешающих уравнений в задачах расчета строительных объектов
- •7.4. Другие типы конечных элементов
- •7.4.1. Элементы Эрмита
- •7.5. Теоретическая и практическая сходимость МКЭ
- •7.6.1. Специализированные программные комплексы
- •7.6.2. Универсальные программные комплексы
- •8.1.1. Математическая модель задачи оптимизации
- •8.1. Общие сведения
- •8.1.2. Необходимые и достаточные условия экстремума функции
- •8.1.3. Классификация задач математического программирования
- •8.2. Постановка задачи оптимального проектирования
- •8.2.1. Определение входных и выходных параметров
- •8.2.2. Выбор целевой функции
- •8.2.3. Назначение ограничений
- •8.2.4. Нормирование управляемых и выходных параметров
- •8.2.5. Примеры постановок задач оптимального проектирования
- •8.3. Задачи линейного программирования
- •8.3.1. Общая постановка задачи ЛП
- •8.3.2. Геометрический смысл системы линейных неравенств с двумя неизвестными
- •8.3.4. Симплекс-метод решения задач линейного программирования
- •Задача об оптимальном плане выпуска продукции
- •Задача об оптимальном раскрое материалов (о минимизации отходов)
- •Задача о планировании смен на предприятии
- •Задача о покрытии местности при строительстве объектов
- •Транспортная задача
- •Задача о назначениях (проблема выбора)
- •8.3.6. Двойственные задачи в линейном программировании
- •8.4. Нелинейные задачи оптимизации
- •8.4.1. Выпуклые множества и выпуклые функции
- •8.4.2. Классификация численных методов решения нелинейных задач оптимизации
- •Основные этапы поиска экстремума
- •8.4.3. Численные методы одномерного поиска
- •Метод перебора или равномерного поиска
- •Метод дихотомии (или половинного деления)
- •Метод квадратичной интерполяции
- •Метод покоординатного спуска
- •Метод градиентного спуска
- •Метод наискорейшего спуска
- •Метод сопряженных градиентов
- •Метод Ньютона
- •Метод штрафных функций
- •8.5. Решение задач оптимизации с помощью электронных таблиц Excel
- •Литература
- •Оглавление
- •Численные методы решения задач строительства на ЭВМ
3.2.2.Метод хорд
Пусть функция y=f(x) на отрезке \а, Ь] удовлетворяет условиям теорем 3.1, т.е. уравнение (3.1) имеет на этом отрезке единственный корень х
Положим для определенности / (х) > 0 (рис.3.6). Вместо деления отрезка пополам, разделим его в отношенииf(a) :f(b).
С геометрической точки зрения способ пропорциональных частей эквивалентен замене кривой у = f(x) хордой, проходящей через точки A[a,f(a)] и B0[b,f(b)].
Уравнение хорды АВ запишется, как
* - ° = y ~.f ( a)— . |
(3.10) |
ь - а т - т
Рис.3.6. Схема метода хорд (1-й случай)
Полагая х =х\ и у = 0, найдем абсциссу точки пересечения хорды АВо с осью ОХ, т.е. х\.
Для построения итерационной последовательности рассмотрим два случая, каждый из которых определен видом графика функции у =f(x) на отрезке [а,Ъ\.
Первый случай. Полагаем f(a)>0, f(b)< 0 и / (х)>0 для хе[а,Ь].
1.В качестве нулевого приближения корня выбираем правый конец отрезка [а,Ь], т.е. хо —Ь.
2.Проводим хорду АВо и за первое приближение Х| принимаем абсциссу точки пересечения хорды с осью ОХ.
3.Второе приближение хг получаем как абсциссу точки пересечения хорды АВ\ с осью ОХ.
4.Аналогичным образом строим итерационную последовательность приближений:
х0 =Ь, Х\, х2 |
(3.11) |
В математическом анализе доказывается теорема, что итерационная последовательность (3.11) сходится к корню jc уравнения (3.1). В этом случае левый конец отрезка [а,Ь] неподвижен и последовательные приближения определяются по формуле
(3.12)
Второй случай. Полагаем f(a)<0,f(b)>0 и/ (х)>0 для х<г[а, Ь\.
В качестве нулевого приближения корня выбираем левый конец отрезка [а,Ъ], т.е. х0 -а, а в качестве неподвижного конца х=Ь (рис.3.7).
Аналогично первому случаю строим последовательность приближений, сходящуюся к точному решению х*уравнения (3.1):
(3.13)
Рис.3.7. Схема метода хорд (2-ой случай).
Таким же образом можно рассмотреть еще два аналогичных случая, когда вторая производная/ (х)<0 для хе[а, 6].
Доказывается теорема, обобщающая все четыре случая, для приближенного решения нелинейного уравнения (3.1).
► Теорема 3.2. Пусть функция у =f(x) на отрезке [а,Ь] удовлетворяет условиям теорем 3.1, т.е. уравнение (3.1) имеет на этом отрезке единственное решение. Если функция у =f(x) имеет вторую производную, сохраняющую знак на этом отрезке, то исходя из начального приближения х 0, удовлетворяющего условию
f(xo)f(xo)<0, |
(3.14) |
можно вычислить корень уравнения (3.1) с заданной точностью к по формулам (3.12) или (3.13).
Метод хорд хорошо реализуется на ЭВМ.
3.2.3. Метод Ньютона (метод касательных)
Пусть уравнение (3.1) на отрезке [а,Ь\ имеет единственный корень, причем/(х) и/ (х) непрерывны и сохраняют определенные знаки на этом отрезке.
Геометрически метод Ньютона эквивалентен замене небольшого участка дуги кривой y=f(x) касательной, проведенной в некоторой точке этой кривой (рис.3.8).
Положим для определенности / (х)>0 для х е [а, Ъ] и f(b)>0. И выберем в качестве нулевого приближения хп = Ь, для которого выполняется условие f(xo)-f (XQ) >0.
Проведем касательную к кривой у =/(х) в точке В0[х0 ,/ (хп) \ В качестве первого приближения корня х\ возьмем абсциссу точки пересечения этой касательной с осью ОХ. Через точку B/[xi ,f (xi)] снова проведем касательную, абсцисса точки пересечения которой с осью ОХ даст нам второе приближение корня х2и т.д.
Рис.3.8. Схема метода касательных
Уравнение касательной в точке В,,[хп , f (x,J] (п=0, 1, 2, ....) к нашей кривой записывается
y - f(x ,J = f (x,J (х - х,).
Полагая у=0, х=х„>\, получим формулу для построения последовательности приближений корня уравнения (3.1), т.е. итерационную последовательность
/(£ „ ) |
(3.15) |
|
/( * „ ) |
||
|