Готовое тестовое задание по физике

ВВЕДЕНИЕ

Эпиграф из [1]: «Из нашего девиза «Цель расчетов — не числа, а понимание», следует, что человек, который должен этого понимания достигнуть, обязан знать, как происходит вычисление. Если он не понимает, что делается, то очень маловероятно, чтобы он извлек из вычислений что-нибудь ценное. Он видит голые цифры, но их истинное значение может оказаться скрытым в вычислениях».

Основные этапы решения прикладных задач с использованием компьютеров

1. Постановка проблемы — формулировка на языке предметной области.
2. Выбор, построение математической модели — полнота, сложность, снижение размерности — формулировка на математическом языке; упрощенная модель (грубая), тестовые примеры.
3. Постановка вычислительной задачи — анализ ИД, параметры модели, требования к результату, подготовка контрольных вариантов.
4. Анализ вычислительной задачи (существование и единственность решения, корректность, устойчивость).
5. Выбор численного метода — время решения, требуемая точность, универсальность.
6. Алгоритмизация — порядок вычислений, критерии окончания, контрольные точки и промежуточные проверки.
7. Обработка, представление и анализ результатов.
8. Корректировка модели, ИД, и т.п., возвращаемся к 1.

В самой общей постановке вычислительная задача состоит в том, что для каждого x из множества исходных данных X требуется найти единственное решение y из множества возможных решений Y.

Пример. Найти решение уравнения ax + b = 0. Здесь исходные данные (ИД) — коэффициенты уравнения a и b, т.е. X = R² = {(a, b), a, b — действительные числа, a ≠ 0}, Y = R¹ = R — множество действительных чисел; задача имеет единственное решение . Если (a, b) = (3, 1), то решаем уравнение 3x+1 = 0.

Его единственное решение — .

Простота, «примитивность» примера не случайна. Нужно стараться все понять на простейших примерах. Линейная функция и линейное уравнение будут основными источниками примеров в течение всего курса.

В дальнейшем будем обозначать (если специально не оговорено другое) y — точное, “теоретическое» решение задачи, x — точные, «теоретические» исходные данные; соответственно  y* и x* — их приближенные значения, еще y*— результат численного решения задачи.

Источники и классификация погрешностей численного решения задачи

— погрешность численного решения задачи y = y(x).

Причины возникновения погрешностей:

• погрешность математической модели;
• погрешность исходных данных;
• погрешность приближенного решения задачи;
• погрешность приближенных чисел (округление, ввод в память компьютера).

— неустранимая погрешность — погрешность модели, погрешность ИД;

—погрешность метода — погрешность избранного численного метода; не следует стремиться сделать ее как можно меньшей, желательно — в 2-3 раза меньше неустранимой погрешности;

— вычислительная погрешность — погрешность приближенных чисел, погрешность округления; следует стремиться сделать ее хотя бы на порядок меньше погрешности метода;

Корректность вычислительной задачи

Обозначим x* и y* — приближенные значения исходных данных и приближенное решение вычислительной задачи. Пусть определены их абсолютные и относительные погрешности, а также границы этих погрешностей

(эти понятия интуитивно ясны и известны, использовались в ЛП по физике, точные определения будут даны ниже).

Вычислительная задача называется корректной по Адамару — Петровскому, если:

• при любых существует решение ;
• решение единственно;
• решение устойчиво по отношению к малым возмущениям исходных данных:

для любого  существует число ,  зависит от , такое, что всякому x*, удовлетворяющему условию , отвечает приближенное решение y*, для которого .

Задача некорректна, если нарушено хотя бы одно из этих условий.

Иногда рассматривают относительную устойчивость, т.е. в соответствующих неравенствах  и  заменяют соответственно на .

Пример некорректной задачи. Задача вычисления ранга матрицы в общем случае.

Для матрицы  ранг . В данном случае исходными данными являются коэффициенты матрицы А, решением ранг матрицы А.

Рассмотрим задачу с возмущенными исходными данными . Определитель этой матрицы и, следовательно ранг равен 2.

Пример некорректной задачи. Задача дифференцирования

Пусть  — дифференцируемая на всей числовой оси функция. Известно что задача вычисления производной имеет единственное решение. Здесь исходные данные — значение функции .

Рассмотрим на промежутке  задачу с возмущенными исходными данными . Погрешность данных задачи.