Разработка алгоритма программы нахождения производной методом неопределённых коэффициентов - Курсовая работа

1.Постановка и уяснение задачи: 1.1Анализ предметной области 1.1.1 Метод неопределенных коэффициентов Разработка алгоритма и программы: 2.1 Разработка алгоритмаКогда говорят об интегрируемости в явном виде, имеют в виду, что решение может быть вычислено при помощи конечного числа “элементарных” операций: сложения, умножения, вычитания, деления, возведения в степень, логарифмирования, потенцирования, вычисление синуса и косинуса и т.д. В том и другом случаях можно вычислять значения этих функций при помощи таблицы, и те и другие функции можно приближая их многочленами, рациональными дробями и т.д. Таким образом, в класс задач, интегрируемых в явном виде, включились задачи, решение которых выражаются через специальные функции. В настоящее время затраты человеческого труда при решении на ЭВМ задачи Коши для обыкновенных дифференциальных уравнений сравнимы с затратами на то, чтобы просто переписать заново формулировку этой задачи. Эта работа посвящена описанию одного из методов решения задачи Коши для обыкновенных дифференциальных уравнений и исследования свойств этого метода.Организуется цикл для расчета коэффициентов при наличии в уравнении x-a 5-ой степени. Организуется цикл для расчета коэффициентов при наличии в уравнении x-a 4-ой степени. Организуется цикл для расчета коэффициентов при наличии в уравнении x-a 3-ой степени. Язык программирования служит двум связанным между собой целям: он дает программисту аппарат для задания действий, которые должны быть выполнены, и формирует концепции, которыми пользуется программист, размышляя о том, что делать. Используя определения новых типов, точно отвечающих концепциям приложения, программист может разделять разрабатываемую программу на легко поддающиеся контролю части.

СОДЕРЖАНИЕ

1.Постановка и уяснение задачи: 1.1Анализ предметной области

1.1.1 Метод неопределенных коэффициентов

1.1.2 Использование интерполяционных многочленов

1.1.3 Использование конечно разностных соотношений для аппроксимации производных

2. Разработка алгоритма и программы: 2.1 Разработка алгоритма

2.2 Обоснование выбора языка программирования

2.3 Разработка программы

3.Экспериментальное исследование алгоритма и программы: 3.1Решение задачи методом неопределенных коэффициентов

3.2 Тестирование программы

3.3. Руководство программисту

Существует много способов решения данной проблемы, а именно нахождения производной. Все они имеют свои преимущества и недостатки. Говоря о достоинствах рассматриваемого нами метода (неопределенных коэффициентов), можно сказать о: 1.Его точности

2.Простом способе применения

3.Его распространенности

2. Разработка алгоритма и программы

2.1 Разработка алгоритма

Алгоритм метода наименьших квадратов включает следующие шаги: 1. Пояснение к программе и ввод данных.

2. Организуется цикл для расчета коэффициентов при наличии в уравнении x-a 5-ой степени.

3. Организуется цикл для расчета коэффициентов при наличии в уравнении x-a 4-ой степени.

4. Организуется цикл для расчета коэффициентов при наличии в уравнении x-a 3-ой степени.

5. Организуется цикл для расчета коэффициентов при наличии в уравнении x-a 2-ой степени.

6. Вывод полученного уравнения и неопределенных коэффициентов на экран.

2.2 Обоснование выбора языка программирования

Прогресс компьютерных технологий определил процесс появления новых разнообразных знаковых систем для записи алгоритмов - языков программирования. Смысл появления такого языка - оснащенный набор вычислительных формул дополнительной информации, превращает данный набор в алгоритм. Язык программирования служит двум связанным между собой целям: он дает программисту аппарат для задания действий, которые должны быть выполнены, и формирует концепции, которыми пользуется программист, размышляя о том, что делать.

Си - это универсальный язык программирования, задуманный так, чтобы сделать программирование более приятным для серьезного программиста. За исключением второстепенных деталей Си является надмножеством языка программирования Си. Помимо возможностей, которые дает Си, Си предоставляет гибкие и эффективные средства определения новых типов. Используя определения новых типов, точно отвечающих концепциям приложения, программист может разделять разрабатываемую программу на легко поддающиеся контролю части. Такой метод построения программ часто называют абстракцией данных. Информация о типах содержится в некоторых объектах типов, определенных пользователем. Такие объекты просты и надежны в использовании в тех ситуациях, когда их тип нельзя установить на стадии компиляции. Программирование с применением таких объектов часто называют объектно-ориентированным. При правильном использовании этот метод дает более короткие, проще понимаемые и легче контролируемые программы.

Си обеспечивает полный набор операторов структурного программирования. Он также предлагает необычно большой набор операций. Многие операции Си соответствуют машинным командам, и поэтому допускают прямую трансляцию в машинный код. Разнообразие операций позволяет выбирать их различные наборы для минимизации результирующего поля.

Си поддерживает указатели не переменные и функции. Указатель на объект программы соответствует машинному адресу этого объекта. Посредством разумного использования указателей можно создавать эффективно-выполняемые программы, так как указатели позволяют ссылаться на объекты тем же самым путем, как это делает машина. Си поддерживает арифметику указателей, и тем самым позволяет осуществлять непосредственный доступ и манипуляции с адресами памяти.

В своем составе Си содержит препроцессор, который обрабатывает текстовые файлы перед компиляцией. Среди его наиболее полезных приложений при написании программ на Си являются: определение программных констант, замена вызова функций аналогичными, но более быстрыми макросами, условная компиляция. Препроцессор не ограничен процессированием только исходных текстовых файлов Си , он может быть использован для любого текстового файла.

Си - гибкий язык, позволяющий принимать в конкретных ситуациях самые разные решения.

2.3 Разработка программы

Основываясь на разработанном алгоритме и выбранном языке, была написана программа.

Тело программы состоит из главной функции, а сама функция из пяти операторов условия (if).

Программа начинается с подключения стандартной библиотеки “iostream”.

Далее в программе при помощи встроенного в язык потока вывода “cout” мы выводим на экран условия выполнения задачи, а так же ее условия и примечания, необходимые для правильной и корректной работы программы. cout<<"Programma dli naxoshdenui neopredelennux koefficientov"<<endl;

cout<<"Rukovodstvo:"<<endl;

cout<<"Vvedite koeffichenti pered X, nachinai s naimen"shey stepeni X-a"<<endl;

cout<<"Primechanie:"<<endl;

cout<<"Esli v uravnenie otsutstvuet X c kakoy libo stepen"u, ne bol"she 5-oy,"<<endl;

cout<<"to ego koefficent = 0"<<endl;

cout<<"Uslovia:"<<endl;

cout<<"Maximal"nai stepen" X-a ne bol"she 5-oy"<<endl;

cout<<"Maximal"nai stepen" y-ka ne bol"she 1-oy"<<endl;

cout<<"x0=0 , c0=1"<<endl;

Это поможет даже самому неопытному программисту разобраться в сущности работы программы и научиться ей пользоваться.

Далее вводятся локальные переменные. double c1,c2,c3,c4,c5,c6;

double a,c,e,g,j;

cin>>a;

cin>>c;

cin>>e;

cin>>g;

cin>>j;

Их роль в программе заключается в том, чтобы составить условие, при котором программа должна выбрать верный путь решения того или иного уравнения. Все эти переменные представляют собой коэффициенты перед переменными “х” различных степеней нашего исходного уравнения. В зависимости от присутствия или не присутствия переменной “x” той или иной степени в уравнении, получаем конкретную степень выходного уравнения.

Далее используем оператор if (оператор условия) для определения в исходном уравнение переменной “х” пятой степени, т.к. это максимальная степень “x”, под которую рассчитана программа.

if(j!=0){ c1=c0;c2=(c1 a)/2;c3=(c2 c)/3;c4=(c3 e)/4;c5=(c4 g)/5;c6=(c5 j)/6;

cout<<"Poluchennoe uravnenie:"<<"y2="<<c1<<" "<<c2<<"x"<<" "<<c3<<"x*x"<<" "<<c4<<"x*x*x"<<" "<<c5<<"x*x*x*x"<<" "<<c6<<"x*x*x*x*x"<<endl;}

Мы видим, что при выполнении данного условия программа выводит на экран полученное уравнение, вместе с подстановкой доселе неизвестных неопределенных коэффициентов в него.

При невыполнение данного условия программа переходит к следующему оператору if и производит те же самые действия, что и с первым оператором. Так продолжается до тех пор, пока в программе не выполнится выше указанное условие. else if(g!=0){ c1=c0;c2=(c1 a)/2;c3=(c2 c)/3;c4=(c3 e)/4;c5=(c4 g)/5;c5=(c4 g)/5;

cout<<"Poluchennoe uravnenie:"<<"y2="<<c1<<" "<<c2<<"x"<<" "<<c3<<"x*x"<<" "<<c4<<"x*x*x"<<" "<<c5<<"x*x*x*x"<<endl;} else if(e!=0){ c1=c0;c2=(c1 a)/2;c3=(c2 c)/3;c4=(c3 e)/4;c5=(c4 g)/5;

cout<<"Poluchennoe uravnenie:"<<"y2="<<c1<<" "<<c2<<"x"<<" "<<c3<<"x*x"<<" "<<c4<<"x*x*x"<<endl;} else if(c!=0){ c1=c0;c2=(c1 a)/2;c3=(c2 c)/3;c4=0;c5=0;c6=0;

cout<<"Poluchennoe uravnenie:"<<"y2="<<c1<<" "<<c2<<"x"<<" "<<c3<<"x*x"<<endl;} else if(a!=0){ c1=c0;c2=(c1 a)/2;c3=0;c4=0;c5=0;c6=0;

cout<<"Poluchennoe uravnenie:"<<"y2="<<c1<<" "<<c2<<"x"<<endl;}

При выполнении условия и выводе на экран уравнения, программа выводит на экран отдельно от полученного уравнения неопределенные коэффициенты. cout<<"c1="<<c1<<endl<<"c2="<<c2<<endl<<"c3="<<c3<<endl<<"c4="<<c4<<endl<<"c5="<<c5<<endl<<"c6="<<c6<<endl;

В случае невыполнения ни одного из пяти условий программа выдаст сообщение об ошибке: else {cout<<"Uravnenie smisla ne imeet"<<endl;}

Произведенные в предыдущих пунктах исследования позволили составить алгоритм поиска значений неопределенных коэффициентов;

1) Обоснован выбор языка программирования;

2) На основе составленного алгоритма составлена программа поиска значений неопределенных коэффициентов.

3) На основе составленного алгоритма составлена программа поиска неопределенных коэффициентов.

3.Экспериментальное исследование алгоритма и программы

3.1 Решение задачи методом неопределенных коэффициентов

Метод неопределенных коэффициентов состоит в том, что решение уравнения ищется в форме ряда с неизвестными коэффициентами: y=a b(x-x0) c(x-x0)2 …, которые находятся при помощи подстановки в уравнение, последующего приравнивания коэффициентов при одинаковых степенях и применения начального условия, если оно задано.

Применим метод неопределенных коэффициентов к рассмотренной выше задаче. Так как x0 = 0, то пишем y=a bx cx2 dx3 ex4 … y"=b 2cx 3d x2 4ex3 …

Подставляя x0 = 0, получаем в силу начального условия, что а=1.Производим подстановку ряда в уравнение y"=y-2x2-3x: b 2cx 3dx2= a bx cx2 dx3 -2 x2-3x

Приравнивая коэффициенты при одинаковых степенях x, приходим к соотношениям: a=b; c=(b-3)/2; d=(c-2)/3

И так мы получаем, что b=1, c= -1; d= -1.

3.2 Тестирование программы

Решим при помощи программы задачу, рассматриваемую в прошлом разделе: Для этого подставим коэффициенты перед переменной x, во всех степенях начиная с наименьшей соответственно.

При решении двумя способами результаты совпали.

3.3 Руководство программисту

Для того чтобы программа работала быстро и эффективно не требуется мощных компьютеров и современных операционных систем. Ниже приведены минимальные параметры компьютера, которые нужны для работы: Центральный процессор: Intel Pentium 166 MHZ (рекомендуется P2 400 MHZ)

Операционные системы: Microsoft Windows 98, Windows Millennium (Me), Windows 2000, Windows ХР

Оперативная память: 128 Mb (рекомендуемая 256 Mb)

Памяти на жестком диске: 115 Mb (при компактной установке), 675 Mb (при полной установке), 580 Mb (при профессиональной установке), 480 Mb (при персональной установке)

CD-ROM drive

Монитор с разрешением VGA и выше.

Заключение

Данная работа посвящена разработке алгоритма и программы решения задачи нахождения производной методом неопределенных коэффициентов. Сложность поставленной задачи обуславливается тем, что при нахождение производной данным методом, мы часто получаем выходное уравнение с многочленами при больших степенях. Решение такого уравнения может быть слишком долгим, что потребует больших затрат.

Рассмотренный метод неопределенных коэффициентов является одним из самых быстрых для поиска производной. Он легок для понимания и способен давать достаточно точные результаты.

Основные результаты работы сводятся к тому, что указывается важная роль применения численных методов, а в частности методов нахождения производной, направление развития существующих методов, обуславливается выбор метода.

Направление дальнейших исследований целесообразно развивать в разработке новых более точных и по возможности простых алгоритмов, которые бы заключали в себе все достоинства существующих методов, но исключали их недостатки. Новые методы должны быть максимально информативны, учитывающими те факторы, которые опускаются в уже существующих.

Список литературы

1.«Основы численных методов»-Л.И Турчак (1987г);

2. «Численные методы» Бохвалов Н.В.