Вивчення різницевих апроксимацій проводиться спочатку локально, тобто в будь-якому фіксованому вузлі сітки.
При
розв’язуванні диференціальних рівнянь чисельним методом основним є питання про
збіжність. Стосовно до різницевих методів традиційно більш уживане поняття
збіжності при  . Позначимо за
. Позначимо за  значення сіткової функції, що відповідає значенню точного розв’язку
диференціального рівняння
 значення сіткової функції, що відповідає значенню точного розв’язку
диференціального рівняння  у вузлі
 у вузлі  -
-  (
 ( є  наближеними значеннями
 є  наближеними значеннями  ). Збіжність при
). Збіжність при  означає
таке. Фіксуємо точку
 означає
таке. Фіксуємо точку  і будуємо сукупність сіток
 і будуємо сукупність сіток  таким чином, що
 таким чином, що  і
 і
 (при цьому
 (при цьому  ). Тоді
вважають, що чисельний метод збігається в точці
). Тоді
вважають, що чисельний метод збігається в точці  , якщо
, якщо  при
 при  ,
,  . Метод збігається на відрізку
. Метод збігається на відрізку  , якщо він збігається в кожній точці
, якщо він збігається в кожній точці  . Вважають, що метод має
. Вважають, що метод має  -й порядок точності, якщо можна знайти таке
число
-й порядок точності, якщо можна знайти таке
число  , що
, що  при
 при  .
.
Уведемо
далі поняття нев'язки, або похибки, апроксимації різницевого рівняння, що
заміняє задане диференціальне рівняння, на розв’язку вихідного рівняння, тобто
нев'язка  являє собою результат підстановки точного
розв’язку рівняння
 являє собою результат підстановки точного
розв’язку рівняння   у різницеве рівняння. Наприклад,
рівняння
 у різницеве рівняння. Наприклад,
рівняння 
 можна замінити таким
найпростішим різницевим рівнянням
 можна замінити таким
найпростішим різницевим рівнянням
 ,
,     .
.
Тоді
нев'язка визначиться як   .
.
Наближений
розв’язок не збігається з  , тому нев'язка
, тому нев'язка  в
 в  -ій
точці не дорівнює нулеві.
-ій
точці не дорівнює нулеві. 
Чисельний
метод апроксимує вихідне диференціальне рівняння, якщо  при
 при
 , і має
, і має  -й
порядок точності, якщо
-й
порядок точності, якщо  .
.
Доведено, що порядок точності чисельного методу розв’язання диференціального рівняння збігається з порядком апроксимації при досить загальних припущеннях.
8.1.1 Метод Ейлера
Ознайомлення з чисельними методами розв’язання звичайних диференціальних рівнянь першого порядку почнемо з вивчення методу Ейлера для задачі Коші

 ,                              
(8.1)
,                              
(8.1)
 .                               (8.2)
.                               (8.2)
Відзначимо, що на практиці цей метод використовується рідко через невисоку точність, однак він є найпростішим з чисельних методів і на його прикладі зручно пояснити їх суть, способи побудови і дослідження.
Для
розв’язання задачі потрібно знайти наближені значення  точного
розв’язку
 точного
розв’язку  рівняння (8.1). Уведемо позначення
 рівняння (8.1). Уведемо позначення  . Припустимо, що розв’язок
. Припустимо, що розв’язок  задачі (8.1) — (8.2) у вузлі
 задачі (8.1) — (8.2) у вузлі  відомий. Знайдемо розв’язок у наступному
вузлі
 відомий. Знайдемо розв’язок у наступному
вузлі  . Використовуючи формулу Тейлора, одержимо
 . Використовуючи формулу Тейлора, одержимо
 (8.3)
 (8.3)
Відзначимо,
що похідну  , що стоїть у правій частині, можна знайти,
диференціюючи рівняння (8.1).
, що стоїть у правій частині, можна знайти,
диференціюючи рівняння (8.1).
Підставимо
у формулі (8.3) , тоді
 , тоді
 .          (8.4)
.          (8.4)
Припускаючи,
що  на відрізку
 на відрізку  обмежена,
маємо
 обмежена,
маємо  . Однак
використовувати формулу (8.4) незручно з таких міркувань:
. Однак
використовувати формулу (8.4) незручно з таких міркувань:
1)
вираз  може виявитися громіздким; 2) якщо права
частина рівняння (8.1) відома лише приблизно, що часто має місце при
розв’язанні технічних задач, знаходити її похідні небажано.
 може виявитися громіздким; 2) якщо права
частина рівняння (8.1) відома лише приблизно, що часто має місце при
розв’язанні технічних задач, знаходити її похідні небажано.
Якщо
 має q-і неперервні похідні по
сукупності аргументів, то в розкладанні (8.3) можна враховувати значення членів
аж до
 має q-і неперервні похідні по
сукупності аргументів, то в розкладанні (8.3) можна враховувати значення членів
аж до 
Відкидаючи
в (8.4) величини другого порядку малості при  в
порівнянні з кроком сітки
 в
порівнянні з кроком сітки  , одержуємо формулу для
обчислення наближеного значення
, одержуємо формулу для
обчислення наближеного значення  у вузлі
 у вузлі  З огляду на те, що
 З огляду на те, що  ,
виводимо розрахункову формулу методу Ейлера
,
виводимо розрахункову формулу методу Ейлера
 .                    (8.5)
.                    (8.5)
Для
чисельного розрахунку за формулою (8.5) досить знати  .
Потім, використовуючи (8.5), можна послідовно знайти значення розв’язку
.
Потім, використовуючи (8.5), можна послідовно знайти значення розв’язку  відповідно в точках
 відповідно в точках 
| 
 | 
Рис. – 8.1
Геометрична
інтерпретація методу Ейлера показана на рис. 8.1, де зображена множина
інтегральних кривих рівняння (8.1). Використання тільки першого члена формули
Тейлора рівносильне заміні інтегральної кривої на відрізку [ ] дотичною до неї в точці (
] дотичною до неї в точці ( ). На кожному кроці заново визначається
дотична, і, отже, траєкторія буде ламаною лінією. Тому метод Ейлера називають
також методом ламаних.
). На кожному кроці заново визначається
дотична, і, отже, траєкторія буде ламаною лінією. Тому метод Ейлера називають
також методом ламаних.
При визначенні наближеного розв’язку задачі надзвичайно важлива оцінка похибки використовуваного методу. Розглянемо таку оцінку для методу Ейлера.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.