[ Калиткин ] Численные методы. Численные методы
 Скачать 6.73 Mb.
|
|
ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ Н. Н. К а л и т к и н В книге излагаются основные численные методы решения широкого круга математических задач, возникающих при исследовании физических и технических проблем. Изложенные методы пригодны как для расчетов на ЭВМ, так и для «ручных» расчетов. Для каждого метода даны практические рекомендации по применению. Для лучшего понимания алгоритмов приведены примеры численных расчетов. Книга предназначена для студентов, аспирантов В преподавателей университетов и технических институтов, научных работников и инженеров-исследователей, а также для всех, имеющих дело с численными расчетами. ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие редактора Предисловие Глава I Что такое численные методы? 1. Решение задачи (13). 2. Численные методы (15). 3. История прикладной математики (16). 13 § 2. Приближенный анализ 1. Понятие близости (17). 2. Структура погрешности (22). 3. Корректность (24). 17 26 Г л а в а II Аппроксимация функций § 1. Интерполирование 1. Приближенные формулы (27). 2. Линейная интерполяция (27). 3. Интерполяционный многочлен Ньютона (29). 4. Погрешность многочлена Ньютона (31). 5. Применения интерполяции (34). 6. Интерполяционный многочлен Эрмита (36). 7. Сходимость интерполяции (39). 8. Нелинейная интерполяция (41). Интерполяция сплайнами (44). Монотонная интерполяция (46). 11. Многомерная интерполяция (47). 27 § 2. Среднеквадратичное приближение 1. Наилучшее приближение (51). 2. Линейная аппроксимация (53). 3. Суммирование рядов Фурье (56). Метод наименьших, квадратов (59. Нелинейная аппроксимация (62). 51 § 3. Равномерное приближение 1. Наилучшие приближения (66). 2. Нахождение равномерного приближения (68). 66 69 Г л а в а III Численное дифференцирование 1. Полиномиальные формулы (70). 2. Простейшие формулы (72). 3. Метод Рунге — Ромберга (74). 4. Квазиравномерные сетки (78). 5. Быстропеременные функции (80). 6. Регуляризация дифференцирования (81). 84 Г л а в а IV Численное интегрирование § 1. Полиномиальная аппроксимация 1. Постановка задачи (85). Формула трапеций (86). 3. Формула Симпсона (88). 4. Формула средних (89). 5. Формула Эйлера (91). 6. Процесс Эйткена (92). 7. Формулы Гаусса— Кристоффеля (94). 8. Формулы Маркова (97). 9. Сходимость квадратурных формул (98). 85 § 2. Нестандартные формулы 1. Разрывные функции (100). 2. Нелинейные формулы (100). 3. Метод Филона (103). 4. Переменный предел интегрирования (105). 5. Несобственные интегралы (105). 100 § 3. Кратные интегралы 1. Метод ячеек (108). 2. Последовательное интегрирование (111). 108 § 4. Метод статистических испытаний 1. Случайные величины (113). 2. Разыгрывание случайной величины (114). 3. Вычисление интеграла (117). 4. Уменьшение дисперсии (119). 5. Кратные интегралы (121). 6. Другие задачи (123). 113 Задачи 124 Глава V Системы уравнений § 1. Линейные системы 1. Задачи линейной алгебры (126). 2. Метод исключения Гаусса (128). 3. Определитель и обратная матрица (130). 4. 0 других прямых методах (132). 5. Прогонка (132). Метод квадратного корня (135). 7. Плохо обусловленные системы (137). 126 § 2. Уравнение с одним неизвестным 1. Исследование уравнения (138). 2. Дихотомия (139). 3. Удаление корней (140). 4. Метод простых итераций (141). 5. Метод Ньютона (143). 6. Процессы высоких порядков (145). Метод секущих (145). 8. Метод парабол (146). 9. Метод квадрирования (148). 138 § 3. Системы нелинейных уравнений 1. Метод простых итераций (150). 2. Метод 150 Ньютона (152). 3. Метод спуска (153). 4. Итерационные методы решения линейных систем (153). - Задачи 155 Глава VI Алгебраическая проблема собственных значений § 1. Проблема и простейшие методы 1. Элементы теории (156). 2. Устойчивость (159). 3. Метод интерполяции (162). 4. Трехдиагональные матрицы (164). 5. Почти треугольные матрицы (165). 6. Обратные итерации (166). 156 § 2. Эрмитовы матрицы 1. Метод отражения (170). 2. Прямой метод вращении (175). 3. Итерационный метод вращении (177). 170 § 3. Неэрмитовы матрицы 1. Метод элементарных преобразований (181). 2. Итерационные методы (186). 3. Некоторые частные случаи (187). 181 § 4. Частичная проблема собственных значений 1. Особенности проблемы (189). 2. Метод линеаризации (189). 3. Степенной метод (190). 4. Обратные итерации со сдвигом (191). 189 Задачи 193 Глава VII Поиск минимума 1. Постановка задачи (194). 2. Золотое сечение (196). 3. Метод парабол (198). 4. Стохастические задачи (200). 194 § 2. Минимум функции многих переменных 1. Рельеф функции (201). 2. Спуск по координатам (203). 3. Наискорейший спуск (207). 4. Метод оврагов (209). 5. Сопряженные направления (210). 6. Случайный поиск (214). 201 § 3. Минимум в ограниченной области 1. Формулировка задачи (215). 2. Метод штрафных функций (216). 3. Линейное программирование (217). 4. Симплекс-метод (220). 5. Регуляризация линейного программирования (221). 215 § 4. Минимизация функционала 1. Задачи на минимум функционала (223). 2. Метод пробных функций (226). 3. Метод Ритца (230). 4. Сеточный метод (240). 223 Задачи 236 Глава VIII Обыкновенные дифференциальные уравнения § 1. Задача Коши 1. Постановка задачи (237). 2. Методы 237 решения (238). 3. Метод Пикара (240). 4. Метод малого параметра (242). 5. Метод ломаных (243). 6. Метод Рунге—Кутта (246). 7. Метод Адамса (250). 8. Неявные схемы (252). 9. Специальные методы (353). 10. Особые точки (257). 11. Сгущение сетки (258). § 2. Краевые задачи 1. Постановки задач (261). 2. Метод стрельбы (262). 3. Уравнения высокого порядка (266). 4. Разностный метод; линейные задачи (268). 5. Разностный метод; нелинейные задачи (271). 6. Метод Галеркина (276). 7. Разрывные коэффициенты (279). 261 § 3. Задачи на собственные значения 1. Постановка задач (280). 2. Метод стрельбы (281). 3. Фазовый метод (282). 4. Разностный метод (284). 5. Метод дополненного вектора (286). 6. Метод Галеркина (288). 280 Задачи 289 Г л а в а IX Уравнения в частных производных 1. О постановках задач (290). 2. Точные методы решения (292). 3. Автомодельность и подобие (294); 4. Численные методы (296). 290 § 2. Аппроксимация 1. Сетка и шаблон (299). 2. Явные и неявные схемы (301). 3. Невязка (302). 4; Методы составления схем (303). 5. Аппроксимация и ее порядок (307). 299 § 3. Устойчивость 1. Неустойчивость (311). 2. Основные понятия (312). 3. Принцип максимума (315). 4. Метод разделения переменных (318). 5. Метод энергетических неравенств (322). 6. Операторные неравенства (323). 311 § 4. Сходимость 1. Основная теорема (324). 2. Оценки точности (327). 3. Сравнение схем на тестах (331). 324 333 Глава Х Уравнение переноса 1. Задачи и решения (334). 2. Схемы бегущего счета (336). 3. Геометрическая интерпретация устойчивости (341). 4. Многомерное уравнение (344). 5. Перенос с поглощением (346). 6. Монотонность схем (348). 7. Диссипативные схемы (351). 334 § 2. Квазилинейное уравнение 1. Сильные и слабые разрывы (354). 2. Однородные схемы (357). 3. Псевдовязкость (359). 4. Ложная сходимость (362). 5. 354 Консервативные схемы (363). Г л а в а XI 366 Параболические уравнения § 1. Одномерные уравнения 1. Постановки задач (368). 2. Семейство неявных схем (369). 3. Асимптотическая устойчивость неявной схемы (374). 4. Монотонность (376). 5. Явные схемы (378). 6. Наилучшая схема (380). 7. Криволинейные координаты (384). 8. Квазилинейное уравнение (386). 368 § 2. Многомерное уравнение 1. Экономичные схемы (389). 2. Продольно- поперечная схема (391). 3. Локально- одномерный метод (394). 4. Метод Монте- Карло (399). 389 Задачи 399 Глава XII Эллиптические уравнения § 1. Счет на установление 1. Стационарные решения эволюционных задач (401). 2. Оптимальный шаг (404). 3. Чебышевский набор шагов (409). 401 § 2. Вариационные и вариационно- разностные методы 1. Метод Ритца (413). 2. Стационарные разностные схемы (414). 3. Прямые методы решения (415). 4. Итерационные методы (420). 413 Задачи 423 Глава XIII Гиперболические уравнения § 1. Волновое уравнение 1. Схема «крест» (424). 2. Неявная схема 424 (427). 3. Двуслойная акустическая схема. (429). 4. Инварианты (434). 5. Явная многомерная схема (435). 6. Факторизованные схемы (436). § 2. Одномерные уравнения газодинамики 1. Лагранжева форма записи (439). 2. Псевдовязкость (442). 3. Схема «крест» (444). 4. Неявная консервативная схема (447). 5. 0 других схемах (450). 439 Задачи 451 Глава XIV Интегральные уравнения § 1. Корректно поставленные задачи 1. Постановки задач (452). 2. Разностный метод (455). 3. Метод последовательных приближений (458). 4. Замена ядра вырожденным (460). 5. Метод Галеркина (461). 452 § 2. Некорректные задачи 1. Регуляризация (462). 2. Вариационный метод регуляризации (465). 3. Уравнение Эйлера (469). 4. Некоторые приложения (473). 5. Разностные схемы (476). 462 Задачи 478 Г л а в а XV Статистическая обработка эксперимента 1. Ошибки эксперимента (480). 2. Величина и доверительный интервал (482). 3. Сравнение величин (490). 4. Нахождение стохастической зависимости (494). Задачи 500 Приложение Ортогональные многочлены 501 Литература 505 Предметный указатель 509 ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ Автомодельные решения 294 Адамса метод 250 Анализ регрессии 495, 496 Анизотропная теплопроводность 394, 395 Аппроксимационная вязкость 351 Аппроксимация 308 — абсолютная 310 — безусловная 310 — дробно-линейная 63 — краевых условий 385, 393, 427 — локальная 309 — условная 310 Асимметрия 487 Бегущая температурная волна 295 Бегущий счет 337, 344, 379 Бесселя формулы 62 Большие задачи 388 Включение точки 388 Вольтерра уравнение второго рода 454 — первого рода 462 Выбор веса 60, 486, 497 Выравнивающая замена переменных 42 Вырожденное ядро 460 Вычисление корней многочлена 147, 148 — кратных интегралов методом Монте-Карло 121 — — — — последовательного интегрирования 111 — — — — ячеек 108 — несобственных интегралов 105 — обратной матрицы 131 — определителя 130 Галеркина метод 276, 288, 461 Гарвика прием 146 Геометрическая интерпретация устойчивости 341, 379 Гивенса метод вращении 175 Гильбертово пространство 20 Двухкруговые итерации 449 Дервюдье метод 189 Дирихле задача 401 Дисбаланс 365 Дисперсионный анализ 495 Диссипативные схемы 353 Дифференцирование быстропеременных функций 80 — интерполяционного многочлена Ньютона 70 — — — —, погрешность 71 — на квазиравномерных сетках 80 — на равномерной сетке 73 Дихотомия 139, 263 Доверительная вероятность 483 Доверительный интервал 483 Допустимое решение 356 Жорданов набор шагов 411 Жорданова подматрица 157 — форма матрицы 157 Замораживание коэффициентов 320 Зейделя метод 155 Инварианты акустические 434 Интегрирование осциллирующих функций 103 — разрывных функций 100 Интегро-интерполяционный метод 304 Интерполяционный многочлен Ньютона 30 — — —, погрешность 32 — — —, —, апостериорная оценка 33 — — Эрмита 36 — — —, погрешность 37 Интерполяция квазилинейная 43 — лагранжева 28 — линейная 28 — многомерная 47 — — на произвольной сетке 50 — — последовательная 49 — — треугольная 49 Интерполяция монотонная 47 — нелинейная 41 — обратная 35 — сплайнами 44 —, сходимость 39 — эрмитова 36 Квадратурные формулы, априорные оценки точности 99 — —, веса 86 — — Гаусса — Кристоффеля 94 — — Маркова 97 — — нелинейные 100 — —, погрешность 86 — — Симпсона 88 — — средних 89 — —, сходимость 98 — — трапеций 86 — — —, погрешность 87 — —, узлы 86 — — Эйлера — Маклорена 91 Комплексная организация расчета 274, 287, 409 Конечные разности 31 Консервативные схемы 365. 447 Корректность 24 Корреляционный анализ 497 Коши задача 238, 291 — — плохо обусловленная 240 Коэффициент парной корреляции 497 — перекоса матрицы 161 Коэффициентная устойчивость 384 Краевые задачи 261, 291 — — нестационарные 291 Критерии установления 408 Куранта условие 338, 436 Лагерра многочлены 503 Лежандра многочлены 501 Линеаризация разностной схемы 321 Линейное программирование 217 Локально-одномерные схемы 396 Матриц виды 132, 158 — нормы 21 Матрица вращения 175 — отражения 170 — сдвинутая 191 Метод баланса 304, 363, 380 — баллистический 262 — вращений итерационный 177 — — —, выбор оптимального элемента 179 — — прямой 175 — выбранных точек 63 — выравнивания 42 — декомпозиции 419 Метод дополненного вектора 286 — золотого сечения 196 — исключения Гаусса, выбор главного элемента 130 — — —, обратный ход 129 — — —, прямой ход 129 — итерированного веса 64, 68 — касательных 143 — квадратного корня 135 — квадрирования 148 — линеаризации 143, 152, 263, 274 — ломаных 243 — малого параметра 242 — моментов 461 — наименьших квадратов 59, 224 — — —, выбор весов 60 — — —, оптимальное число коэффициентов 60 — неопределенных коэффициентов 305 — оврагов 209 — отражений 170 — парабол 146, 198 — последовательных приближений 141, 150, 272, 458 — — —, стохастические задачи 142 — простых итераций 141, 150 — прямых 298 — разностной аппроксимации 303 — секущих 145, 264 — сопряженных направлений 210 — стрельбы 262, 266, 281 — —, линейные задачи 264, 267 — уменьшения невязки 307 — фиктивных точек 306 — штрафных функций 216 Минимизация функционала по аргументу 223 Многочлены обобщенные 28 — ортогональные 501 — — на системе точек 503 Модуль непрерывности 19 Монотонность схем 376, 384 Наилучшая схема 381 Наилучшее приближение 51 — — равномерное 66 — — среднеквадратичное 53 Наискорейший спуск 207 — —, сходимость 208 Направление 299 Невязка 302 Независимые измерения 491 Непрерывный аналог метода Ньютона 288 — функционал 227 Неявные схемы 252, 301 Нормальное распределение 483, 487 Нормальное решение 222, 476 Нормы 19 — векторов 21 — матриц 21 — — подчиненные 22 — — согласованные 22 — негативные 322 — энергетические 308 Ньютона интерполяционный многочлен 30 — метод 143, 152, 263, 274 Обратные итерации 166 — — с переменным сдвигом 192 — — со сдвигом 191 Овраг 203 — разрешимый 203 Однородные схемы 358 Операторов виды 323 —— свойства 323 Оптимальное управление 226 Особые точки дифференциальных уравнений 257 Оценки погрешности апостериорные 33, 330 — — априорные 33, 328 Ошибки грубые 481, 489 — систематические 481 — случайные 481 Первое дифференциальное приближение 352 Пикара метод 240 Плохая обусловленность 25, 240 — — линейных алгебраических систем 127, 130, 137, 476 Подобие 296 Погрешность метода 23 — неустранимая 22 — округления 23 Показатель симметрии 384, 440 Полностью консервативные схемы 366, 450 Попеременно-треугольная схема 421 Порядок точности 325, 327 — — не целый 93, 340 Последовательность точек ЛПt 121 — функций минимизирующая 227 Потенциал скоростей 429 Предиктор-корректор 247 Преобладание диагонального элемента 134, 154 Преобразование подобия матриц 158 Признак равномерной устойчивости 314, 316, 319 Принцип максимума 315 Прогонка 132 Прогонка дифференциальная 266 Продольно-поперечная схема 391 Пространство С 19 Псевдовязкость 359 — квадратичная 361, 443 — линейная 362, 442 Псевдослучайные числа 115 Разделенные разности 29 — — с кратными узлами 37 Разрывные коэффициенты 279, 380 Разыгрывание случайной величины 117 — — — многомерной 122 — — — равномерно распределенной 115 Регуляризация дифференцирования по Тихонову 474 — — по шагу 83 — — сглаживанием 83 — линейного программирования 221 — суммирования ряда по Тихонову 58, 475 — — — по числу членов 57 Регуляризирующий оператор 464 Рельеф функции 201 Решение уравнения обратной интерполяцией 35 Ритца метод 230, 413 Рунге — Кутта метод 246 — — —, оценка точности 249 Рунге метод 75, 259, 332 — — рекуррентный 77, 331 Рунге — Ромберга метод 76 Сглаживание функции 60, 62, 474 Сетки квазиравномерные 78 — специальные 279, 383 Сильный разрыв 357 Симплекс-метод 220 Слабый разрыв 355 Слой 299 Случайная величина 114 — —, плотность распределения 114 — —, равномерно распределенная 114 — —, ——, разыгрывание 115 — —, разыгрывание 117 Собственные значения 156, 280 Согласованные измерения 492 Сплайн 46 — многомерный 235 Способ параллельных касательных 211 Спуск по координатам 203 Стандарт 484 — выборки 485 — —, несмещенная оценка 484 Степенной метод 190 Стохастическая зависимость 495 Стохастическая задача нахождения минимума 194 Стьюдента коэффициенты 485 — критерий 485 Субтабулирование 34 Схема двуслойная 313 — —, каноническая форма 318 — «крест» 425, 435, 444 — ломаных 243 — с весами 370 —с выделением особенностей 358, 430 — с полусуммой 371 Сходимость 325 — векторов по направлению 21 — квадратичная 145 — кубическая 145 — линейная 145 — ложная 362 — равномерная 19 — среднеквадратичная 20 Счет на установление 190, 403 — — —, критерий установления 408 — — —, оптимальный шаг 404 Тихоновский стабилизатор 405 Точки повышенной точности численного дифференцирования 72 Треугольный оператор 421 Удаление найденных корней 140 Узлы сетки нерегулярные 300 — — регулярные 300 Уменьшение дисперсии метода Монте-Карло 119 Устойчивость 24, 312 — асимптотическая 314, 374 — безусловная 313 — по начальным данным 313 — — — — равномерная 313 — слабая 25, 314 — собственных значений и векторов матриц 159 — условная 313 Фазовый метод 282 Факторизованные схемы 437 Филона формулы 103 Фишера коэффициенты 494 — критерий 493 Фредгольма уравнение второго рода 453 — — первого рода 462 Фурье преобразование быстрое 416 — — дискретное 62 Характеристический многочлен 156 Хаусхолдера метод отражений 170 Центральные моменты распределения 487 Циклическая прогонка 434 Чебышева критерий 486 — многочлены 503 Чебышевская система функций 28 Чебышевский набор шагов 409 — — — упорядоченный 412 Чисто неявная схема 371 Шаблон 297, 300 Эйлера метод 243 — уравнение 469 Эйткена экстраполяционный процесс 92 Экономичные схемы 391 Экстраполяция 33 — многомерная 48 Эксцесс 487 Эрмита многочлены интерполяционные 36 — — ортогональные 503 Явно-неявная схема 342 Явные схемы 301 Якоби метод вращении 177 — многочлены ортогональные 501 ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА Современное развитие физики и техники тесно связано с использованием электронных вычислительных машин (ЭВМ). В настоящее время ЭВМ стали обычным оборудованием многих институтов и конструкторских бюро. Это позволило от простейших расчетов и оценок различных конструкций или процессов перейти к новой стадии работы—детальному математическому моделированию (вычислительному эксперименту), которое существенно сокращает потребность в натурных экспериментах, а в ряде случаев может их заменить. В основе вычислительного эксперимента лежит решение уравнений математической модели численными методами. Изложению численных методов посвящено немало книг. Однако большинство этих книг ориентировано на студентов и научных работников математического профиля. Поэтому в настоящее время ощущается потребность в книге, рассчитанной на широкий круг читателей различных специальностей и сочетающей достаточную полноту изложения с разумной степенью строгости при умеренном объеме. Предлагаемая книга отвечает этим требованиям. Она достаточно полно освещает тот круг вопросов, знание которого наиболее часто требуется в практике вычислений, и содержит ряд разделов, которые редко включают в учебные пособия. Умеренный объем достигнут за счет тщательного отбора материала и включения в книгу только наиболее эффективных и часто используемых на практике методов. Материал изложен четко и сжато, при этом большое внимание уделено рекомендациям по практическому применению алгоритмов; изложение пояснено рядом примеров. Для обоснования алгоритмов использован несложный математический аппарат, знакомый студентам физических и инженерных специальностей. Книга рассчитана на читателя, который занимается не столько разработкой численных методов, сколько их применением к прикладным проблемам. Однако в процессе работы над книгой читатель знакомится с основными идеями построения вычислительных алгоритмов и с их обоснованием и приобретает знания, достаточные для разработки новых алгоритмов. Эта книга является по существу введением в численные методы. Овладев ею, читатель затем может углубить свои знания, обратившись к руководствам по теории разностных схем и по методам численного решения отдельных классов задач. Книга написана специалистом по теоретической и математической физике. Она возникла в результате работы автора над рядом актуальных проблем физики в Институте прикладной математики АН СССР и преподавания на физическом факультете МГУ. Несомненно, книга окажется полезной широкому кругу читателей — студентам, аспирантам, научным сотрудникам и инженерам математических, физических и технических специальностей. А. А. Самарский ПРЕДИСЛОВИЕ Сложные вычислительные задачи, возникающие при исследовании физических и технических проблем, можно разбить на ряд элементарных—таких как вычисление интеграла, решение дифференциального уравнения и т. п. Многие элементарные задачи являются несложными и хорошо изучены. Для этих задач уже разработаны методы численного решения, и нередко имеются стандартные программы решения их на ЭВМ. Есть и достаточно сложные элементарные задачи; методы решения таких задач сейчас интенсивно разрабатываются (например, решение уравнений бесстолкновительной плазмы). Поэтому полная программа обучения численным методам должна состоять из ряда этапов. Во- первых, это освоение логарифмической линейки, клавишных вычислительных машин и программирования на ЭВМ. Во-вторых, основы численных методов, содержащие изложение классических элементарных задач (включая основные сведения о разностных схемах). В-третьих, курс теории разностных схем. И в-четвертых — ряд специальных курсов, которые сейчас нередко называют методами вычислительной физики: численное решение задач газодинамики, аэродинамики, переноса излучения, квантовой физики, квантовой химии и т. д. Эта книга является введением в численные методы. Она начинается с простейших задач интерполирования функций и кончается недавно возникшим разделом вычислительной математики — методами решения некорректно поставленных задач. Книга написана на основе годового курса лекций, читавшихся автором сначала инженерам-конструкторам, а после переработки—студентам физического факультета МГУ. Для каждой задачи существует множество методов решения. Например, хорошо обусловленную систему линейных уравнений можно решать методами Гаусса, Жордана, оптимального исключения, окаймления, отражений, ортогонализации и рядом других. Интерполяционный многочлен записывают в формах Лагранжа, Ньютона, Грегори—Ньютона, Бесселя, Стирлинга, Гаусса и Лапласа— Эверетта. Подобные методы обычно являются вариациями одного-двух основных методов, и если даже в каких-то частных случаях имеют преимущества, то незначительные. Кроме того, многие методы создавались до появления ЭВМ, и ряд из них в качестве существенного элемента включает интуицию вычислителя. Появление ЭВМ потребовало переоценки старых методов, что до конца еще не сделано, и до сих пор по традиции большое количество неэффективных методов кочует из учебника в учебник. Отчасти это объясняется тем, что эффективность многих методов сильно зависит от мелких деталей алгоритма, почти не поддающихся теоретическому анализу; поэтому окончательный отбор лучших методов можно сделать только на основании большого опыта практических расчетов. В этой книге сделана попытка такого отбора, опирающаяся на многолетний опыт решения большого числа разнообразных задач математической физики. Для большинства рассмотренных в книге задач изложены только наиболее эффективные методы с широкой областью применимости. Несколько методов для одной и той же задачи даны в том случае, если они имеют существенно разные области применимости, или если для данной задачи еще не разработано достаточно удовлетворительных методов. Часто приходится слышать, что наступила эпоха ЭВМ, а «ручные» расчеты являются архаизмом. На самом деле это далеко не так. Прежде чем поручать ЭВМ большую задачу, надо сделать много оценочных расчетов и на их основе понять, какие методы окажутся эффективными для данной задачи. Конечно, даже в мелких расчетах ЭВМ с хорошим математическим обеспечением и набором периферийных устройств (телетайп, дисплей, графико-построитель) оказывает большую пользу. Однако логарифмическая линейка и клавишные машины еще долго будут необходимы. Поэтому большинство методов, изложенных здесь, в равной мере пригодны для ЭВМ и «ручных» расчетов. Основное внимание в книге уделено выработке практических навыков у читателя. Поэтому в первую очередь изложены алгоритмы, даны рекомендации по их применению и отмечены «маленькие хитрости»—те незначительные на первый взгляд практические приемы, которые сильно повышают эффективность алгоритма. Теоретическое обоснование методов приведено лишь в той мере, в какой оно необходимо для лучшего усвоения и практического применения. В книгу включен ряд сведений, не относящихся к необходимому минимуму, но полезных читателю для лучшего понимания тонких деталей вычислительных процессов. Чтобы не увеличивать объем книги и избежать сложных выкладок, эти сведения приведены, как правило, без доказательств, но со ссылками на дополнительную литературу. Некоторые сведения даны в форме задач в конце каждой главы. Предполагается, что читатели знакомы с основами высшей математики, включая краткие сведения об уравнениях в частных производных. Необходимые дополнительные сведения, которые не содержатся в обязательных курсах университетов и втузов, сообщаются здесь в соответствующих разделах. Книга разделена на главы; параграфы и пункты. В начале каждой главы кратко изложено ее содержание. Нумерация таблиц и рисунков—единая по всей книге, а нумерация формул— самостоятельная в каждой главе. Если ссылка не выходит за пределы данной главы, то указывается только номер формулы; если выходит—то номер главы и номер формулы. В конце книги дан список литературы. Приведенные в нем учебники и монографии рекомендуются для углубленного изучения отдельных разделов. Журнальные статьи даны для указания на оригинальные работы, их список не претендует на полноту; более полная библиография имеется в рекомендованных учебниках. Общий подход к теории и практике вычислений, определивший стиль этой книги, сложился у меня под влиянием А. А. Самарского и В. Я. Гольдина за много лет совместной работы. Ряд актуальных тем был включен по инициативе, А. Г. Свешникова и В. Б. Гласко. Много ценных замечаний сделали А. В. Гулин, Б. Л. Рождественский, И. М. Соболь, И. В. Фрязинов, Е. В. Шикин и сотрудники кафедры прикладной математической физики МИФИ. В оформлении рукописи мне помогли Л. В. Кузьмина и В. А. Кра-сноярова. Я пользуюсь случаем искренне поблагодарить всех названных лиц, и в особенности Александра Андреевича Самарского. Н. Н. Калиткин |