Estimation of the order of the matrix method approximation of numerical integration of boundary-value problems for the second order inhomogeneous linear ordinary differential equations


Cite item

Full Text

Abstract

Using the first three terms of Taylor expansion of the required function in the approximate derivative by finite differences leads to the second order approximation of the traditional numerical quadrature method of boundary value problems for linear ordinary second order differential equations with variable coefficients. The paper shows previously proposed numerical quadrature method using tools of matrix calculus where the approximate derivative by finite differences was not used. Agreeing to above method the arbitrary number of terms of Taylor expansion for the required solution may be used when compiling the difference equation system. When using the three first terms of expansion the difference equation system coincided with the traditional system. The estimation of residuals and the order of approximation depending on the number of the used terms of Taylor expansion is given. It is theoretically shown that for the boundary value problem with boundary conditions of the first kind the approximation method order increases in direct proportion with the increasing in the number of members used in Taylor series expansion only for odd values of this number. For even values of this number the order of approximation coincides with the order of approximation for the number less by unit of the odd values. For boundary value problems with boundary conditions of the second and third kinds the order of approximation was directly proportional to the number of used terms in the Taylor series expansion of the required solution of the problem regardless of evenness. In these cases the order of approximation of the boundary points and therefore the whole problem turned out to be one unit less than the order for the inner points of the grid for the interval of integration. The method of approximation order increase at the boundary points up to the approximation order in the inner points of the grid is presented. The theoretical conclusions are confirmed by a numerical experiment for a boundary value problem with boundary conditions of the first and third kinds.

About the authors

Vladimir N Maklakov

Samara State Technical University

Email: makvo63@yandex.ru
(Cand. Phys. & Math. Sci.; makvo63@yandex.ru), Associate Professor, Dept. of Higher Mathematics and Applied Informatics 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

References

  1. Keller H. B. Accurate Difference Methods for Nonlinear Two-point Boundary Value Problems // SIAM J. Numer. Anal., 1974. vol. 11, no. 2. pp. 305-320. doi: 10.1137/0711028.
  2. Lentini M., Pereyra V. A Variable Order Finite Difference Method for Nonlinear Multipoint Boundary Value Problems // Mathematics of Computation, 1974. vol. 28, no. 128. pp. 981-1003. doi: 10.2307/2005360.
  3. Keller H. B. Numerical Solution of Boundary Value Problems for Ordinary Differential equations: Survey and Some Resent Results on Difference Methods / Numerical Solutions of Boundary Value Problems for Ordinary Differential Equations; ed. A. K. Aziz. New York: Academic Press, 1975. pp. 27-88. doi: 10.1016/b978-0-12-068660-5.50007-7.
  4. Годунов С. К., Рябенький В. С. Разностные схемы. Введение в теорию. М.: Наука, 1973. 400 с.
  5. Самарский А. А. Теория разностных схем. М.: Наука, 1977. 656 с.
  6. Формалеев В. Ф., Ревизников Д. Л. Численные методы. М.: Физматлит, 2004. 400 с.
  7. Boutayeb A., Chetouani A. Global Extrapolations of Numerical Methods for a Parabolic Problem with Nonlocal Boundary Conditions // International Journal of Computer Mathematics, 2003. vol. 80, no. 6. pp. 789-797. doi: 10.1080/0020716021000039209.
  8. Boutayeb A., Chetouani A. A Numerical Comparison of Different Methods Applied to the Solution of Problems with Non Local Boundary Conditions // Applied Mathematical Sciences, 2007. vol. 1, no. 44. pp. 2173-2185.
  9. Радченко В. П., Усов А. А. Модификация сеточных методов решения линейных дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами на основе тейлоровских разложений // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 2008. № 2(17). С. 60-65. doi: 10.14498/vsgtu646.
  10. Маклаков В. Н. Численное интегрирование матричным методом смешанных краевых задач для линейных неоднородных обыкновенных дифференциальных уравнений второго порядка // Современный научный вестник, 2013. № 16 (155). С. 72-78.
  11. Маклаков В. Н., Усов А. А. Численное интегрирование матричным методом краевых задач для нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений второго порядка с использованием итерационных процедур / Труды девятой Всероссийской научной конференции с международным участием (21-23 мая 2013 г.). Часть 3: Дифференциальные уравнения и краевые задачи / Матем. моделирование и краев. задачи. Самара: СамГТУ, 2013. С. 35-42.
  12. Турчак Л. И. Основы численных методов. М.: Наука, 1987. 320 с.
  13. Закс Л. Статистическое оценивание. М.: Статистика, 1976. 598 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2014 Samara State Technical University

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».