| 
 | (9.15) | 
Формула (9.15) и есть основная формула метода Эйлера с пересчетом. Подобные схемы часто называют схемами типа прогноз-коррекция. Сначала по формуле (9.12) определяется прогнозируемое приближение решения, а затем по формуле (9.15) это решение уточняется.
Метод Эйлера с пересчетом обладает третьим
порядком точности 
на шаге и, соответственно, вторым порядком
точности на интервале. Кроме того, он дает двустороннее приближение к
решению.
Отметим, что поскольку нулевое приближение итерационного процесса задано, то процесс (9.14) можно продолжать до достижения заданной точности. Однако последующие итерации не повышают порядка точности схемы, и поэтому на практике используют одну-две итерации. Далее будет показано, что методы Эйлера являются частными случаями двухстадийных схем Рунге-Кутты.
Метод Рунге-Кутты
Метод Рунге-Кутты позволяет строить схемы
различного порядка точности. Основная идея метода состоит в построении
специального алгоритма – такого, чтобы приращение функции на шаге  совпадало с приращением
 совпадало с приращением  , которое определяется из ряда
Тейлора (9.10) с учетом возможно большего числа членов. При этом вторые и
следующие производные определяются не дифференцированием, а путем многократного
вычисления функции
, которое определяется из ряда
Тейлора (9.10) с учетом возможно большего числа членов. При этом вторые и
следующие производные определяются не дифференцированием, а путем многократного
вычисления функции  в некоторых промежуточных
точках между
 в некоторых промежуточных
точках между  и
 и  .
.
Проиллюстрируем основные идеи метода на примере получения схем второго порядка точности.
Оставим в разложении (9.10) члены вплоть
до  , имея в виду, что последний член
разложения соответствует предполагаемому порядку точности схемы. Имеем
, имея в виду, что последний член
разложения соответствует предполагаемому порядку точности схемы. Имеем
| 
 | (9.16) | 
Чтобы избежать явного дифференцирования,
заменим вторую производную  в соотношении
(9.16) разностью
 в соотношении
(9.16) разностью
| 
 | (9.17) | 
Величины  ,
,  и
 и  подбираются
так, чтобы обеспечить нужный
 подбираются
так, чтобы обеспечить нужный 
порядок точности. Подставляя выражение (9.17) в (9.16), получаем
| 
 | (9.18) | 
Полагая  ,
,
 , обозначая
, обозначая  и
имея в виду,
 и
имея в виду, 
что  , и, следовательно,
, и, следовательно,  . С учетом того, что
. С учетом того, что  , перепишем выражение (9.18) в виде
, перепишем выражение (9.18) в виде
| 
 | (9.19) | 
Параметры α и δ определяются из условия наилучшего соответствия выражения (9.19) ряду (9.10). Принимая

и, подставляя это соотношение в (9.18), имеем
| 
 | (9.20) | 
Перепишем ряд (9.10) в виде
| 
 | (9.21) | 
Из сравнения формул (9.20) и (9.21) видно,
что первые три члена 
в этих формулах совпадают, если  . Выражая δ
через α и подставляя в (9.19), получаем однопараметрическое семейство
разностных схем Рунге-Кутты второго порядка точности. В результате
. Выражая δ
через α и подставляя в (9.19), получаем однопараметрическое семейство
разностных схем Рунге-Кутты второго порядка точности. В результате
| 
 | (9.22) | 
Схема (9.22) при  имеет
третий порядок точности на шаге и второй на интервале. Из (9.20) можно получить
рассмотренные разностные схемы. Так при
 имеет
третий порядок точности на шаге и второй на интервале. Из (9.20) можно получить
рассмотренные разностные схемы. Так при  имеем
метод Эйлера, выражаемый формулой (9.12), при
 имеем
метод Эйлера, выражаемый формулой (9.12), при  –
первую итерацию метода Эйлера с пересчетом, а при
 –
первую итерацию метода Эйлера с пересчетом, а при  –
так называемый метод хорд.
 –
так называемый метод хорд.
Аналогичным образом могут быть получены и
схемы Рунге-Кутты более высокого порядка точности. В настоящее время наиболее
распространена схема четвертого порядка точности, которая используется 
в большинстве стандартных программ на компьютерах. Эта схема имеет вид

Многошаговый метод Адамса
В предыдущих схемах решение в точке  вычисляется с использованием решения
только в одной точке
 вычисляется с использованием решения
только в одной точке  . Логично предположить,
. Логично предположить, 
что можно повысить точность метода, если использовать информацию 
о поведении решения в предыдущих точках  .
Такие методы получили название многошаговых.
.
Такие методы получили название многошаговых. 
Общая схема построения многошаговых
методов выглядит следующим образом. Пусть нам известно приближенное решение в
нескольких узлах сетки  . Следовательно,
в этих точках отрезка известно
. Следовательно,
в этих точках отрезка известно 
и значение  правой части дифференциального
уравнения (9.9)
 правой части дифференциального
уравнения (9.9) 
при  , причем
, причем  будет
уже функцией только одной переменной
 будет
уже функцией только одной переменной  . Заменим функцию
. Заменим функцию
 интерполяционным многочленом Лагранжа
 интерполяционным многочленом Лагранжа  и
вычислим значение
 и
вычислим значение  , проинтегрировав (9.9) на
отрезке
, проинтегрировав (9.9) на
отрезке  . Находим
. Находим
| 
 | (9.23) | 
Проведя интегрирование, находим разностную схему для решения дифференциального уравнения. Порядок схемы определяется величиной остаточного члена интерполяционного полинома.
В случае, когда для построения
интерполяционного многочлена 
используется четыре узла  , получается формула
Адамса,
, получается формула
Адамса, 
которая на сетке с постоянным шагом записывается в виде
| 
 | (9.24) | 
где  .
.
Метод
Адамса имеет четвертый порядок точности на интервале. Чтобы начать счет
по формуле Адамса, необходимо знать решение в четырех 
начальных точках  .
.
По существу, интерполяционный многочлен  в формуле (9.23) используется вне
области интерполяции, т.е. в данном случае это экстраполяционный многочлен. Однако
поскольку интервал
 в формуле (9.23) используется вне
области интерполяции, т.е. в данном случае это экстраполяционный многочлен. Однако
поскольку интервал  мал,
 мал, 
то ошибка за счет экстраполяции невелика. Недостающие значения функции
вычисляются в точках  , как правило, по методу
Рунге-Кутты соответствующего порядка, что является недостатком метода, так как
увеличивает объем программы для компьютера. Преимущество многошаговых методов
заключается в том, что на каждом шаге правая часть дифференциального уравнения
вычисляется только один раз, а в методе Рунге-Кутты четвертого порядка точности
на каждом шаге функция вычисляется четыре раза. Здесь, естественно, необходимо
учитывать соотношение
, как правило, по методу
Рунге-Кутты соответствующего порядка, что является недостатком метода, так как
увеличивает объем программы для компьютера. Преимущество многошаговых методов
заключается в том, что на каждом шаге правая часть дифференциального уравнения
вычисляется только один раз, а в методе Рунге-Кутты четвертого порядка точности
на каждом шаге функция вычисляется четыре раза. Здесь, естественно, необходимо
учитывать соотношение 
шагов двух методов, обеспечивающих заданную точность. В случае, когда правая
часть дифференциального уравнения является функцией только 
одной переменной x, остаточный член в формуле
Рунге-Кутты четвертого порядка точности на равномерной сетке равен остаточному
члену  формулы трапеций численного
интегрирования с шагом
 формулы трапеций численного
интегрирования с шагом  , следовательно
, следовательно

В формуле Адамса остаточный член

Таким образом, остаточный член в первом
случае на три порядка меньше чем во втором. Следовательно, для получения
результата с одной 
и той же точностью можно шаг в методе Рунге-Кутты брать примерно 
в шесть раз большим, чем в формуле Адамса.
Достоинство метода Адамса по сравнению с
методом Рунге-Кутты 
заключается в простоте оценки остаточного члена метода.
На этом мы закончим рассмотрение численных методов решения дифференциальных уравнений. В заключении заметим, что существуют также численные методы решения краевых задач и дифференциальных уравнений в частных производных.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.