Апостериорные оценки погрешностей по Рунге и Эйткену

 

Априорные оценки погрешностей (4.7) и (4.10) можно записать в виде

, (4.11)

где А — коэффициент, зависящий от метода интегрирования и вида подынтегральной функции; h— шаг интегрирования; р— порядок ме­тода. Зависимости (4.11) подчиняется главный член погрешности боль­шинства методов численного интегрирования. При численном диффе­ренцировании погрешность также может быть оценена с помощью фор­мулы (4.11), при этом порядок рзависит от количества узловых точек. Пусть вычисляется значение некоторой переменной wс шагом h, тогда

, (4.12)

где — приближенное значение w; — главный член погрешно­сти; О (hp+1) — бесконечно малая величина порядка hp+1. Вычислим ту же самую переменную wс шагом kh

, (4.13)

где коэффициент пропорциональности kможет быть как больше, так и меньше единицы. КоэффициентАв выражениях (4.12) и (4.13) будет одинаковым, так как вычисляется одна и та же переменная одним и тем же методом, а от величины шага hзначение А не зависит.

Пренебрегая бесконечно малыми величинами, приравняем правые части соотношений (4.12) и (4.13) с учетом формулы (4.11) и получим

 

откуда найдем главный член погрешности

(4.14)

Формула (4.14) называется формулой Рунге [1,2] и позволяет пу­тем двойного просчета величины wс шагами h и kh оценить погреш­ность. Так как оценка осуществляется после вычисления, то она явля­ется апостериорной. Формула (4.14) имеет большое практическое зна­чение, так как позволяет провести оценку погрешности без изменения алгоритма используемого вычислительного процесса. При уменьше­нии шага hглавный член погрешности R0 будет стремиться к полной погрешности R.

После определения R0 можно вычислить уточненное значение ис­комой величины

(4.15)

последнее выражение называют второй формулой Рунге. К сожале­нию, погрешность уточненного значения остается неопределенной, хо­тя, как правило, она меньше значения .

Формулы Рунге справедливы для всех вычислительных процессов, для которых выполняется степенной закон (4.11). Для определения по­рядка метода рнеобходимо проведение априорной оценки погрешно­сти, что не всегда легко осуществить.

Английский математик Эйткен предложил способ оценки погреш­ности для случая, когда порядок р метода неизвестен. Более того, алго­ритм Эйткена позволяет опытным путем определить и порядок метода. Для этого необходимо третий раз вычислить значение величины wс шагом k2h, т.е.

или

(4.16)

Приравнивая правые части выражений (4.13) и (4.16), получим со­отношение

 

 

Подставив в это соотношение значениеR0 из первой формулы Рунге (4.14), найдем

(4.17)

 

Полученное соотношение (4.17) вместе с первой формулой Рунге (4.14) позволяет оценить погрешность при использовании вычис­лительного метода с неизвестным порядком р. Более того, порядок рможно определить, логарифмируя левую и правую части формулы (4.17):

(4.18)

Для выбранного вычислительного процесса алгоритм Эйткена до­статочно применить только один раз при определении порядка метода, а затем использовать формулу Рунге, требующую только двукратного вычисления искомой величины. Формулу (4.14) можно использовать для тестирования программ, реализующих вычислительные методы с известной априорной погрешностью. Априорный и апостериорный по­рядки должны получаться совпадающими для правильных программ. Конечно, это совпадение будет приближенным, так как при получении алгоритмов Рунге и Эйткена учитывались только главные члены по­грешности.