Métodos Matemáticos I

Documentos relacionados
Métodos Matemáticos I

Métodos Matemáticos I

Métodos Matemáticos I

Métodos Matemáticos I

Métodos numéricos para Ecuaciones Diferenciales Ordinarias. Laboratori de Càlcul Numèric (LaCàN) www-lacan.upc.es

Profesor Francisco R. Villatoro 29 de Mayo de 2000 NO SE PERMITEN APUNTES, FORMULARIOS O CALCULADORA NO OLVIDE RACIONALIZAR TODOS LOS RESULTADOS

Consistencia, Estabilidad y Convergencia

Métodos Multipaso lineales

Simulación Numérica de Yacimientos

Método de Newton. Cálculo numérico. Notas de clase. 25 de abril, 2011

La siguiente definición es muy intuitiva. Se dice que una sucesión {x n } es:

C alculo Noviembre 2010

Sucesiones monótonas Monotonía. Tema 6

Comisión de Pedagogía - Diego Chamorro Ecuaciones en Derivadas Parciales (Nivel 3).

2. El Teorema del Valor Medio

10. Series de potencias

Semana 09 [1/28] Sucesiones. 29 de abril de Sucesiones

Reconocer y utilizar las propiedades sencillas de la topología métrica.

Continuidad y monotonía

Complitud y continuidad uniforme

11.1. Funciones uniformemente continuas

Gustavo Montero. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales University of Las Palmas de Gran Canaria

Límite Funcional Puntos de acumulación. Tema 1

1. Continuidad. Universidad de Chile Subsucesiones. Ingeniería Matemática

Series numéricas (I) 1 Convergencia y divergencia. 2 Series importantes. 3 Propiedades generales. 4 Series de términos positivos

Gustavo Montero. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales University of Las Palmas de Gran Canaria. Curso

Teorema del valor medio

Diferenciación numérica: Método de Euler explícito

Funciones en R n Conceptos métricos y topológicos Límites y continuidad en R 2. Funciones en R n : nociones topológicas

Observación: Aceptaremos que la función f no este definida para un número finito de términos como por ejemplo f(n) = n 5.

Normas Equivalentes. Espacios Normados de Dimensión Finita

Guía Semana 7 1. RESUMEN 2. EJERCICIOS PROPUESTOS. Universidad de Chile. Ingeniería Matemática

Continuidad y monotonía

Sucesiones convergentes

Sucesiones y Suma Finita

Espacios métricos completos

1 Denición y ejemplos

Tema 1 EL TEOREMA DE PEANO. 1 Compacidad en C(I; R N ): el Teorema de Ascoli-

Funciones continuas e inyectivas

: k }, es decir. 2 k. k=0

Resolución numérica de problemas de contorno

Análisis Matemático I

La Diferencial de Fréchet

Funciones continuas Motivación

Sucesiones y series de funciones

TEMA Espacios métricos

Preliminares Problemas de Valor Inicial Problemas de Contorno ECUACIONES DIFERENCIALES ORDINARIAS

Conjuntos Abiertos y Cerrados

Instituto Tecnológico de Lázaro Cárdenas Ingeniería Electrónica. Métodos de Rungo-Kutta

Compacidad y conexión

Unidad IV. La sucesión de sumas parciales asociada a una sucesión está definida para cada como la suma de la sucesión desde hasta :

Espacios Metricos, Compacidad y Completez

4. Ecuaciones lineales de orden n 5. Ecuación de Euler 6. Oscilaciones 6.1. Oscilaciones libres 6.2. Oscilaciones forzadas 7. Problemas 7.1. Problemas

Tema 2 Resolución de EcuacionesNo Lineales

Conexión Motivación. Lección 10

Ejercicios de Análisis Funcional

SUCESIONES DE CAUCHY DE NÚMEROS RACIONALES.

Ecuaciones Diferenciales. Conceptos Generales

Convergencia Sucesiones convergentes

CAPÍTULO 4: DERIVADAS DE ORDEN SUPERIOR. En este capítulo D denota un subconjunto abierto de R n.

Funciones implícitas e inversas por Leandro Caniglia

Práctica 1. Continuidad Ejercicios resueltos

TEMA 4. Series de potencias

Series numéricas y de potencias. 24 de Noviembre de 2014

DERIVADAS DE FUNCIONES DE VARIAS VARIABLES. Curvas Paramétricas. Dada una curva paramétrica

Tema 5: Convergencia y acotación. Subsucesiones. Operaciones con sucesiones convergentes.

Técnicas numéricas para las Ecuaciones diferenciales de primer orden: Método de Euler

Ecuaciones diferenciales ordinarias

PROGRAMA DE LA ASIGNATURA: Curso académico 2012/13

Tema 5: Funciones homogéneas

ECUACIONES EN DERIVADAS PARCIALES Tópicos previos

Integrales impropias múltiples

Complementos de Matemáticas, ITT Telemática

1. Método de bisección

EJERCICIO COMPUTACIONAL N o 5. CUADRATURA Y DERIVACIÓN NUMÉRICAS

Teoría de la Integración

LÍMITES DE FUNCIONES Y DE SUCESIONES

Elementos Básicos de Análisis Funcional en. Dr. Oldemar Rodríguez Rojas

Interpolación. Escuela de Ingeniería Informática de Oviedo. (Dpto. de Matemáticas-UniOvi) Computación Numérica Interpolación 1 / 35

Dada f : [a, b] R R, continua, se plantea el problema de encontrar ceros de f, es decir raíces de la ecuación

si existe un entorno V de a contenido en A, tal que la diferencia f(x) f(a) no cambia de signo cuando x V :

Resumen de Análisis Matemático IV

Ecuaciones en Derivadas Parciales y Análisis Numérico. Prácticas

Divergencia de sucesiones

Teoremas de existencia y unicidad para problemas de Cauchy

Funciones de Clase C 1

- Fernando Sánchez - Departamento de Matemáticas - Universidad de Extremadura. Cálculo II. Funciones. Límites y continuidad

Métodos Numéricos en Ecuaciones Diferenciales Ordinarias

Análisis Numérico para Ingeniería. Clase Nro. 3

ELEMENTOS DE ANÁLISIS FUNCIONAL

Proyectos de trabajos para Matemáticas

1. Propiedades básicas de las medidas

TEMA 2. ESPACIOS VECTORIALES

c n sucesiones numéricas. Si n a n. } k=1 dos subsucesiones de la sucesión { } k=1 = an. Entonces, si lím = L se tiene que lím a n = L.

Sea una ecuación diferencial ordinaria explícita de primer orden con una condición en el inicio: y (x) = f(x, y), y(x 0 ) = y 0

Espacios conexos. 6.1 Conexos

TEMA 4. Sucesiones de números reales.

Límite de una sucesión

1. El Método de Diferencias Finitas

1. Espacios topológicos compactos.

Transcripción:

E. de Ingenierías Industriales 2012-13 Métodos Matemáticos I Jesús Rojo

06. Ideas sobre convergencia, consistencia y 0-estabilidad

1 Convergencia o consistencia? 2

Convergencia; consistencia Comentaremos algún resultado para los problemas como y = f(x, y), y(a) = η, aunque, para ser más intuitivos, razonaremos en el caso escalar y = f (x, y), y(a) = η, supuestas esas condiciones que nos han llevado a calificar un problema de valores iniciales como problema tipo, lo que nos garantizaba la existencia de solución única en un intervalo [a, b]. Nuestro estudio se ha encaminado hasta ahora a comprobar la posible consistencia de los métodos, o sea, el que con nuestras notaciones T (h) lim = 0, h 0 h

donde T (h) era el llamado error local del método numérico y n+1 = y n + h Φ(x n, y n, h), y donde y n se refiere a la aproximación y n y(x n ) para la red de nodos x 0, x 1, x 2,..., x N repartidos en el intervalo [a, b] y separados por el paso h = (b a)/n Pero, seguramente, nuestra preferencia a priori hubiera sido sin duda la de que lim h 0 o N max y(x n) y n = 0. n=1...n Esto último es lo que usualmente se llama convergencia del método numérico.

Pues bien, vamos a explicar que consistencia equivale a convergencia cuando se trabaja con un método que tenga la propiedad de ser estable. La estabilidad es una propiedad que en matemáticas significa que métodos cercanos o parecidos llevan a datos también parecidos. En el caso de uno de nuestros métodos y n+1 = y n + h Φ(x n, y n, h), diremos que es estable o mejor 0-estable cuando la diferencia de las sucesiones resultantes y n y z n de este método y del cercano z n+1 = z n + h (Φ(x n, y n, h) + ε n (x n, y n, h) ), con z 0 = y 0, están acotadas en la forma max y n z n M max ε n, n=1...n n=0...n 1 para alguna constante positiva M.

Empleamos el término 0-estabilidad para distinguir esta estabilidad de otras que trataremos más adelante, como la estabilidad lineal o la estabilidad para métodos de E.D.P. Lo importante por ahora es convencernos de que, de manera general, estamos actuando con métodos que presentan esta característica de la 0-estabilidad. No es fácil comprobar este aspecto empleando la definición directamente, pero es más sencillo si usamos el resultado que citamos a continuación: El método y n+1 = y n + h Φ(x n, y n, h) es 0-estable si la función Φ(x, y, h) es lipschitziana (con constante de Lipschitz digamos Λ) respecto de la variable y (para x [a, b] y h h 0 ), o sea Φ(x, y, h) Φ(x, y, h) Λ y y.

Aceptaremos este resultado (aunque no lo probaremos) y procederemos a convencernos de que nuestra trayectoria de métodos se viene refiriendo a métodos de este tipo, y que por lo tanto son 0-estables. Esta afirmación se basa en el resultado Todos los métodos explícitos de Runge-Kutta cumplen la anterior condición de Lipschitz y son, por lo tanto, 0-estables. En la línea de lo que venimos haciendo no probaremos este hecho y nos limitaremos a ver en un ejemplo que así sucede, aunque este ejemplo nos dará una idea de la forma de razonar el resultado si lo deseamos. El método de Euler y n+1 = y n + h f (x n, y n ) es de este tipo, ya que Φ(x, y, h) es f (x, y), por lo que la propiedad de Lipschitz es cierta para Λ = L.

Verlo en el caso que sigue es algo más costoso, pero más ilustrativo. El método del punto medio, que ya hemos visto, tiene En consecuencia, Φ(x, y, h) = f (x + 1 2 h, y + 1 2 h f (x, y) ). Φ(x, y, h) Φ(x, y, h) = f (x + 1 2 h, y + 1 2 h f (x, y)) f (x + 1 2 h, y + 1 2 h f (x, y ) ) L y + 1 2 h f (x, y) y 1 2 h f (x, y ) L ( y y + 1 2 h f (x, y) f (x, y ) ) L ( y y + 1 2 h L y y ) = (L + 1 2 h L2 ) y y, lo que sirve para probar que Φ(x, y, h) cumple la propiedad de Lipschitz para Λ = L (1 + 1 2 h L), donde L es la constante de Lipschitz para f.

Terminamos comprobando lo antes dicho: para un método 0-estable, la consistencia garantiza la convergencia. En efecto, si nuestro método y n+1 = y n + h Φ(x n, y n, h) es 0-estable y consistente, la consistencia significa que o sea,cuando h 0 o N T (h) lim = 0, h 0 h (h) Φ(h) = y(x n+1) y(x n ) Φ(x n, y(x n ), h) 0. h Pongamos ε n (x n, y(x n ), h) = y(x n+1) y(x n ) Φ(x n, y(x n ), h). h Operando, se encuentre enseguida que y(x n+1 ) = y(x n ) + h ( Φ(x n, y(x n ), h) + ε n (x n, y(x n ), h) ).

La 0-estabilidad del método hace entonces que max y n y(x n ) M n=1...n y ya que cuando h 0 o N se tiene también que ε n (x n, y(x n ), h) 0, max ε n, n=0...n 1 max y n y(x n ) 0, n=1...n que es justamente la convergencia del método.

Hemos comprobado así la implicación que más nos interesa de un resultado importante y clásico que suele expresarse como Un método y n+1 = y n + h Φ(x n, y n, h) es convergente para el que hemos llamado problema tipo si y sólo si es a la vez consistente y 0-estable (también para el problema tipo ) Terminamos aquí estas observaciones que tratan de hacer ver que nuestra limitación al estudio de la consistencia y el orden de consistencia no lo es tanto. Hemos visto que este tipo de estudio nos permite realizar un análisis bastante completo y que, de hecho, por este sistema estudiamos al mismo tiempo la convergencia de los métodos, que es, en cierta manera, el objetivo final.