Gai-zerrenda

Metodo numerikoen gai-zerrenda osoa

Gai bakoitzak bere gidak, dedukzioak eta ariketak biltzen ditu. Gidek metodo bakoitzaren dedukzio osoa integratzen dute; ariketak amaieraraino ebatzita daude.

Zenbakizko oinarriak

Erroreak kalkulu numerikoan

Zergatik den soluzio numeriko oro hurbildua, errore-familia biak (biribiltzea eta trunkatzea) eta nola neurtu: errore numerikoa, ehunekokoa eta iteratiboa.

Zifra esanguratsuak eta biribiltzea

Nola zenbatu zifra esanguratsuak 1 baino handiago eta txikiagoko zenbakietarako eta notazio zientifikoan, eta nondik datozen makina baten biribiltze-erroreak.

Taylor eta trunkatze-errorea

Taylor-en teorema eta bere hondarra, zergatik den hondarra trunkatze-errorea, eta nola sortzen diren hemendik ikasgai osoak erabiliko dituen diferentzia finituak.

Interpolazioa

Interpolazioa: ideia, existentzia eta errorea

Zer den interpolatzea, zergatik erabiltzen diren polinomioak, Weierstrass-en teorema, polinomio interpolatzailearen bakartasuna eta Newton, Lagrange eta Hermiterentzat komuna den errore-kota.

Newtonen interpolazioa eta diferentzia zatituak

Newtonen polinomioa geruzaka eraikia diferentzia zatituekin: forma lineala, koadratikoa eta orokorra, diferentzien taula, errorea eta datu errealekin ebatzitako adibide bat.

Lagrangeren interpolazioa

Lagrangeren oinarri-funtzioak, definitzen dituen propietate kardinala, polinomioa datuen konbinazio zuzen gisa, haren errorea eta erroldako datuekin ebatzitako adibide bat.

Hermiteren interpolazioa

Nodo bakoitzean balioa eta deribatua inposatzen dituen interpolazioa: H2n+1H_{2n+1} polinomioa, Lagrangeren oinarrietatik eraikia, errorea, nodo errepikatuen bidezko bide praktikoa eta Bessel funtzioekin adibide bat.

Spline kubikoak

Zatikako interpolazioa tarte bakoitzeko kubiko batekin: jarraitutasun-baldintzak, koefizienteak zehazten dituen sistema tridiagonala, spline naturalak eta haien ebazpena.

Ariketa: Hermite Bessel funtzioarekin

5. graduko Hermite polinomioaren eraikuntza osoa hiru nodorekin J0(0.75)J_0(0.75) hurbiltzeko, urratsez urrats.

Ariketa: Newton biztanleria-datuekin

1971–2011 erroldarako diferentzia zatituen taula osoa eta 2005eko biztanleriaren estimazioa 4. graduko Newton polinomioarekin.

Ariketa: Lagrange biztanleria-datuekin

1971–2011 erroldarako Lagrangeren oinarri-funtzioen eraikuntza eta 2005eko biztanleriaren estimazioa, Newtonekin alderatuta.

Zenbakizko deribazioa

Diferentzia finituak: lehen deribatua

Lehen deribatuaren formula progresiboa, erregresiboa eta zentrala, hiru eta bost puntuko bertsioak, errorearen ordena eta harritzen duen konparazio numeriko bat.

Ordena handiagoko deribatuak

Bigarren (eta hirugarren) deribatuaren hurbilketak diferentzia finitu progresibo, erregresibo eta zentralen bidez, beren errore-ordenarekin.

Richardson-en estrapolazioa

Nola konbinatu bi hurbilketa hh eta h/2h/2 pausuekin errore-termino nagusia ezabatzeko eta ordena igotzeko, termino guztietarako eta berretura bikoitietarako formulekin.

Frogapena: Richardson-ek ordena igotzen du

Errore-formatik estrapolazio-formulara: zergatik N1(h)N_1(h) eta N1(h/2)N_1(h/2) konbinatzeak O(h)\mathcal{O}(h) terminoa ezabatzen duen.

Ariketa: deribatuaren formulak alderatu

f(0.5)f'(0.5)-en kalkulua f(x)=x2exf(x)=x^2e^{-x}-rako sei diferentzia-finitu formulekin eta beren erroreen konparazioa 0.45490.4549 balio zehatzarekin.

Ariketa: Richardson ln(x)-ren gainean

f(1.8)f'(1.8)-ren hurbilketa f(x)=lnxf(x)=\ln x-rako O(h)\mathcal{O}(h) diferentzia progresiboekin eta O(h2)\mathcal{O}(h^2)-ra hobetzea Richardson-en estrapolazioaren bidez.

Zenbakizko integrazioa

Zenbakizko koadratura Lagrangetik

Zenbakizko integrazioaren ideia orokorra: integrala funtzioaren balioen batura haztatu baten bidez hurbiltzea, Lagrangeren polinomioa integratuz lortua.

Gaussen koadraturak

Gaussen koadraturek polinomio ortogonalen bidez nodo eta pisu optimoak nola aukeratzen dituzten: Legendre, Chebyshev, Laguerre eta Hermite.

Zenbakizko integrazio anizkoitza

Nola hedatzen diren trapezioa, Simpson eta Gauss-Legendre integral bikoitzetara produktu-erregelen eta aldaketa aldagaien bidez.

Frogapena: trapezioaren erregela

[a,b] tartean Lagrangeren interpolatzaile lineala integratzea, trapezioaren erregela eta interpretazio geometrikoa lortzeko.

Frogapena: erdiko puntu sinplea

Funtzioa erdiko altuera batez ordezkatzea eta laukizuzen zentratuaren erregela eta errorea lortzea.

Frogapena: Simpson 1/3

Hiru nodo ekidistantetik Simpsonen 1, 4, 1 pisuetara, Lagrangeren bigarren graduko polinomioa integratuz.

Frogapena: bi puntuko Gauss-Legendre

Nola ezarri 3. gradurainoko zehaztasuna [1,1][-1,1] tartean ±1/3\pm 1/\sqrt3 nodoak eta 1 pisuak lortzeko.

Ariketa: lana datu taulatuekin

F(x)cos(alpha(x)) integratuz lana kalkulatzea taula batetik, trapezioa, Simpson eta erdiko puntua erabiliz.

EDOak: hasierako balioa eta urrats anitzekoak

Hasierako balioko problemak

Zer den PVI bat, noiz duen soluzio bakarra (Lipschitz baldintza), nola diskretizatzen den, eta sistemak eta ordena handiagoko ekuazioak nola murrizten diren eskema berera.

Euler-en metodoa

Urrats bakarreko metodorik sinpleena: uneko nodoaren maldarekin aurrera egitea. Dedukzio osoa hiru bidetatik (Taylor, zatidura inkrementala eta integrazioa), ordena, eskuzko adibidea eta aldaera inplizitua.

Heun-en metodoa

Hasierako malda eta iragarritako malda bat batez bestekotzeak 2. ordenako metodoa ematen du. Dedukzio osoa bigarren ordenako Taylor bidez eta trapezio-erregelaren bidez, Euler-en iragarpenarekin.

Runge-Kutta metodoa (RK4)

Runge-Kutta klasikoak lau malda konbinatzen ditu pauso bakoitzeko, 4. ordena lortzeko. Dedukzio osoa Simpson-en erregelatik abiatuta eta EDO sistemetarako hedapen zuzena.

Konbergentzia, kontsistentzia eta ordena

Trunkamendu-errore lokala eta globala, konbergentziaren eta kontsistentziaren definizioa, urrats bakarreko metodoen ordena teorikoak eta ordena numerikoki nola estimatu, soluzio zehatzarekin edo gabe.

Adams-Bashforth metodoak

EDO integratzen duten urrats anitzeko metodo esplizituak, f dagoeneko kalkulatutako nodoetako interpolazio-polinomioaz hurbilduz: AB2-ren dedukzio osoa Lagrangerekin, AB3 eta AB4 formulak, beren ordena eta nola abiarazi.

Adams-Moulton metodoak

Interpolazioan nodo berria sartzen duten urrats anitzeko metodo inplizituak: AM2-ren dedukzio osoa (trapezio inplizitua), AM4, zergatik eskatzen duten ekuazio ez-lineal bat ebaztea eta zer irabazten duten trukean.

Iragarle-zuzentzaile metodoak

Metodo esplizitu bat (iragarlea) ordena bereko inplizitu batekin (zuzentzailea) konbinatzea, inplizituaren doitasuna eta egonkortasuna izateko ekuaziorik ebatzi gabe: ABM2 eta ABM4.

Problema zurrunak eta egonkortasuna

Zerk egiten duen EDO bat zurrun, zergatik bihurtzen diren ezegonkor metodo esplizituak puntu gutxirekin, eta zergatik hobesten diren metodo inplizituak, ordena baxukoak eta pausu moldakorrekoak.

Dedukzioa: Euler-en metodoa eta bere ordena

Hiru bide independentek Euler-en formulara eramaten dute (Taylor, zatidura inkrementala eta integrazioa), eta Taylor-en hondarraren analisiak metodoa 1. ordenakoa dela frogatzen du.

Dedukzioa: Euler inplizitua

Nodo berriko deribatua atzeranzko diferentzia batez hurbiltzeak Euler-en metodo inplizitua eta pauso bakoitzean ebatzi beharreko ekuazio ez-lineala sortzen ditu.

Dedukzioa: Heun-en metodoa

Heun-en dedukzio osoa: bigarren ordenarainoko Taylor-en garapenaren bidez, f-ren bi aldagaiko Taylor-ekin konbinatuta, eta trapezio-erregelaren bidez Euler-en iragarpenarekin.

Dedukzioa: 4. ordenako Runge-Kutta

Simpson-en erregela PVIaren forma integralari aplikatzeak eta malda ezezagunak kateatutako barne-ebaluazioekin hurbiltzeak RK4 klasikoa sortzen du eta bere 1, 2, 2, 1 pisuak azaltzen ditu.

Dedukzioa: 2 pausoko Adams-Bashforth (AB2)

AB2-ren eraikuntza osoa: PVIaren forma integrala, f-ren Lagrange interpolatzailea aurreko bi nodoetan, aldagai-aldaketa, integralak gaiez gai kalkulatuta, errore lokala eta AB3 eta AB4-rako orokortzea.

Dedukzioa: pauso bateko Adams-Moulton (AM2)

AM2-ren eraikuntza osoa: nodo berria barne hartzen duen Lagrange interpolatzailea, aldagai-aldaketa, 1/2-1/2 pisu kalkulatuak, trapezio-erregelarekiko lotura eta errore lokala.

Ariketa: Euler esplizituaren eta inplizituaren egonkortasuna

y=λyy'=\lambda y-ren analisi osoa: metodo bakoitzaren anplifikazio-faktorea, esplizituaren h<2/λh<-2/\lambda egonkortasun-baldintza, inplizituaren baldintzarik gabeko egonkortasuna eta λ=10\lambda=-10 balioarekin egiaztapen numerikoa.

Ariketa: SIR eredua Euler, Heun eta RK4-rekin

SIR sistema epidemikoaren integrazioa urrats bakarreko hiru metodoekin sare beraren gainean, metodoaren ordenak emaitzak nabarmen nola aldatzen dituen alderatuz.

Ariketa: AB2 eta ordenaren estimazioa

PVI logistiko bat (Verhulst) AB2-rekin ebaztea, Heun-ekin abiarazita, eta ordenaren estimazio numerikoa azpitarte kopurua bikoiztuz.

Sistema linealak

Sistema linealak: errorea, hondarra eta baldintza

Metodo zuzenak vs iteratiboak Ax=b-rako, errorearen eta hondarraren arteko aldea, hondarraren araberako gelditze-irizpidea eta zergatik baldintza-zenbakiak erabakitzen duen fidagarria den.

Jacobi metodoa

A=L+D+U partizioa, Jacobi definitzen duen M=D aukera, bere osagaien araberako eskema iteratiboa eta ebatzitako adibide bat.

Gauss-Seidel metodoa

M=D+L aukera, iterazio berean kalkulatu berri den osagai bakoitza berrerabiltzen duena, eta zergatik Jacobi baino azkarrago konbergitu ohi duen.

Konbergentzia eta erradio espektrala

Konbergentzia erabakitzen duen ρ(H)<1\rho(H)<1 baldintza, diagonal hertsiki nagusiaren irizpide nahikoa eta abiadura neurtzen duen konbergentzia-erradioa.

Gain-erlaxazio metodoak (SOR)

Nola ω erlaxazio-parametro batek metodo klasikoak azkartzen dituen: Jacobi erlaxatua (JSOR) eta SOR, Gauss-Seidel orokortzen duena (ω=1).

Ariketa: konbergentzia erradio espektralaren bidez

Diagonal nagusia ez den matrize bat non Jacobi dibergitzen den baina Gauss-Seidel konbergitzen den, iterazio-matrize bakoitzaren erradio espektrala kalkulatuz erabakia.

Ekuazio ez-linealak

Ekuazio ez-linealak: problema eta metodo iteratiboak

f(x)=0f(x)=0 ebazteak zer esan nahi duen, zergatik jotzen den metodo iteratiboetara, nola sailkatzen diren (memoria, puntuak, deribatuak) eta zein irizpiderekin gelditzen den iterazioa.

Bisekzio-metodoa

Metodorik sendoena: erroa gordetzen duen tartea bitan zatitu eta zeinua aldatzen den erdiarekin geratu. Errore-kota esplizitua eta konbergentzia bermatua.

Puntu finkoko iterazioa

f(x)=0f(x)=0 berridatzi x=ϕ(x)x=\phi(x) gisa eta iteratu: noiz konbergitzen duen (ϕ(α)<1|\phi'(\alpha)|<1), zein abiaduratan, eta metodoaren ordena ϕ\phi-ren zein deribatu anulatzen diren soluzioan ematen duen teorema.

Newton-Raphson metodoa

Erreferentziazko metodo iteratiboa: f linealizatu uneko iteratuan eta tangentearen errora jauzi egin. Dedukzio osoa hiru bidetatik eta ordena koadratikoaren frogapena bere errore-ekuazioarekin.

Deribatu gabeko metodoak: sekantea eta Steffensen

ff' eskuragarri ez dagoenean diferentzia zatitu batez ordezkatzen da: aurreko bi iteraturekin (sekantea, ordena 1.618\approx1.618) edo ebaluazio laguntzaile batekin (Steffensen, 2. ordena).

Konbergentzia-ordena eta eraginkortasuna

Konbergentzia-ordenaren eta errore-ekuazioaren definizioa, haien COC eta ACOC estimatzaile konputazionalak, eraginkortasun-indizeak eta metodo optimoak definitzen dituen Kung-Traub aierua.

Dedukzioa: bisekzioaren errore-kota

Zergatik murrizten den bisekzioaren errorea erdira iterazio bakoitzean, eta nola aurreikusi aldez aurretik tolerantzia jakin batek zenbat iterazio eskatzen dituen.

Dedukzioa: puntu finkoaren konbergentzia eta ordena

ϕ\phi Taylor bidez puntu finkoaren inguruan garatzeak metodoaren errore-ekuazioa sortzen du eta aldi berean ϕ(α)<1|\phi'(\alpha)|<1 irizpidea eta ordenaren teorema frogatzen ditu.

Ariketa: bisekzioa eskuz

Bisekzioaren sei iterazio cos²x−x=0 ekuaziorako [0,1] tartean, tarteen katearekin, pauso bakoitzeko errore-kotarekin eta behar den iterazio kopuruaren aurreikuspenarekin.

Ariketa: Newton x=cos²x ekuazioan

Newton-en metodoaren aplikazio osoa x=cos²x ekuazioari x0=0.3-tik: iteratuen, hondarren eta inkrementuen taula, eta ACOC 2 ordena teorikorantz.

Ariketa: sekantea eskuz

Sekantearen metodoa cos²x−x=0 ekuazioari aplikatuta x0=0, x1=1-etik: bost iterazio diferentzia zatitu esplizituekin eta konbergentzia superlineala agerian.

Ariketa: metodo iteratiboen konparatiba numerikoa

Newton, Halley, Ostrowski, Traub, erdiko puntua, Jarratt eta Newton bikoitza proba-funtzioen gainean 10⁻¹⁰⁰ tolerantziarekin: iterazioak, hondarrak eta ACOC ordena teorikoak baieztatuz.

Sistema ez-linealak

Ekuazio ez-linealen sistemak

F(X)=0F(X)=0 problema aldagai anitzetan: puntu finkoko metodo bektorialak, konbergentzia-ordena normekin, ACOC multidimentsionala eta gelditze-irizpideak.

Newton sistema ez-linealetarako

Newton-en metodoaren bertsio bektoriala: deribatua matrize jacobiarra bihurtzen da, zatidura iterazio bakoitzeko sistema lineal bat bihurtzen da, eta ordena koadratikoa mantentzen da.

Kostua eta eraginkortasuna n dimentsioan

Iterazio bakoitzeko kostuaren kontabilitatea sistemetan: nn ebaluazio FF bakoitzeko, n2n^2 jacobiar bakoitzeko, sistema linealen kostua, eraginkortasun-indizeak eta optimalitate-aieru multidimentsionala.

Dedukzioa: Newton sistemetarako linealizazioz

Lehen ordenako Taylor garapen aldagai anitzekoak F linealizatzen du uneko iteratuaren inguruan; linealizazio hori anulatzeak Newton-en pausoa ematen du, jacobiarra deribatuaren paperean dela.

Ariketa: Newton sistema baterako, eskuz

Newton-en bi pauso eskuz x2+y2=1x^2+y^2=1, x=yx=y sistemaren gainean: jacobiarraren eraikuntza, pauso bakoitzeko 2×22\times2 sistema linealaren ebazpena eta konbergentzia koadratiko ikusgarria (2/2,2/2)(\sqrt2/2,\sqrt2/2)-rantz.

Ariketa: Newton 2×2 sistema batean, iterazio-taularekin

exey+xcosy=0e^x e^y+x\cos y=0, x+y=1x+y=1 sistemaren ebazpen osoa Newton-ekin [2,1][2,-1]-etik: iteratuen taula, hondarraren eta inkrementuaren normak, eta ACOC 2an egonkortzen.

Ariketa: konparatiba numerikoa sistemetan

Newton, Trapezioak, Golden Ratio, NA, Jarratt eta RN bi proba-sistemaren gainean 10⁻¹² tolerantziarekin: iterazioak, normak eta ACOC, RN (6. ordena) metodo eraginkorrena izanik.