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NUMERICAL METHODS

DISCRETIZZAZIONE DELLE EQUAZIONI DIFFERENZIALI ORDINARIE

PARTIAL DIFFERENTIAL EQUATION

REAL PHENOMENON

We choose a model (this is a choice driven by what we want to see)

BLOOD IN ARTERIES

There are lots of continuous models that can be chosen.

PDE

We choose a discretization model like NAVIER-STOKES

DISCRETIZED PROBLEM

X ← MODELING ERROR → XM NUMERICAL ERROR → Xh

IMPLEMENT AN ALGORITHM

CODE

We obtain FINITE ELEMENTS

FEM code

Also in this case we can choose several implementations

ROUND-OFF ERROR (errore di arrotondamento)

It's important that the discretization doesn't change our model.We have to quantify the error made when we choose a PDE to model a real phenomenon.We don't know Xh and so this generates the need to estimate the error.The numerical analysis transforms the PDE into a discretized problem.Using the computer we are introducing other errors. The discretized problem is correctly solved only by hand, while using the PC we made a ROUND-OFF ERROR.

NUMERICAL METHODS

DISCRETIZZAZIONE DELLE EQUAZIONI DIFFERENZIALI ORDINARIE

PARTIAL DIFFERENTIAL EQUATION

REAL PHENOMENON → we choose a model (this is a choice driven by what we want to see) → PDE → we choose a discretization model like NAVIER-STOKES → DISCRETIZED PROBLEM

There are lots of continuous models that can be chosen.

X ← MODELING ERROR → XM ← NUMERICAL ERROR → Xh

IMPLEMENT OUR ALGORITHM → CODE

We obtain FINITE ELEMENTS → FEM code

also in this case we can choose Several implementations

ROUND-OFF ERROR (errore di arrotondamento)

It's important that the discretization doesn't change our model.

We have to quantify the error made when we choose a PDE to model a real phenomenon.

We don't know Xh and so this generates the need to estimate the error.

The numerical analysis transforms the PDE into a discretized problem.

Using the computer we are introducing other errors. The discretized problem is correctly solved only by hand, while using the PC we made a ROUND-OFF ERROR.

Approximation of Derivatives

Let xj, for some j's, be points in ℝ

and suppose h = xj - xj-1

where the distance is independent by j

I know the values of a function ν(x) in these points, so we know

ν(xj-1), ν(xj),...

How could I approximate νʹ(xj) = ?

Example:

  • Forward Euler Formula: νʹ(xj) ≃ D+ν(xj)
  • νʹ(xj) ≃ (ν(xj+1) - ν(xj)) / h

This is an easy way to approximate derivatives

The formula is convergent and is of the first order.

We introduce the error:

Εj = |νʹ(xj) - D+ν(xj)| = |νʹ(xj) - (ν(xj+1) - ν(xj)) / h| = O(h)

Taylor Expansion

ν(x) = ν(y) + νʹ(y)(x-y) + νʺ(y)/2 (x-y)2 + νʺʹ(y)/6(x-y)3 + Θ(|x-y|4)

A quantity q is said to be O(ε) if lim ε/ε 6 < ∞ ⋆

Take x = xj+1, y = xj; ν(xj+1) = ν(xj) + νʹ(xj)h + Θ(h2)

Q. ∋: h > 0 hence h = x-y where x = xj+1 & y = xj

⇒ Θ(h2) = -ν(xj+1) - ν(xj) + νʹ(xj)h ≫ Θ(h) = νʹ(xj)

RICORDIAMO che IL SEGNO DI Θ(h) è INDIFFERENTE

If I have a ratio between 2 numbers and the denominator goes to 0, I have 3 possibilities:

  • the N/D → ∞ when l goes to 0 faster than q
  • the N/D number ≠ 0 l ≃ 0 with the same velocity
  • the N/D → 0 q goes to 0 faster than l

h is a parameter which characterizes my discretization. The more the h is smaller and the more my discretization is precise.

In general, given an approximation Dj, the formula to approximate the derivative is said to be correct if:

|Ej = |Dj-v'(xj)| = θ(hp)

The errors become 0 when the distance between 2 consequent points become 0.

In particular, the formula is of order p. In this way, I’m also saying the velocity of convergence, This p allows us to compare several methods,

p can be 1, 2 or other numbers

The fast one is 2 but it has also some negative facts.

• Backward Euler Formula

v'(xj) ≃ D-v(xj) =

(v(xj) - v(xj-1)) / h

Accuracy of this formula:

We can write Taylor expansion:

v(xj-1) = v(xj) - v'(xj) h +

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Scienze matematiche e informatiche MAT/08 Analisi numerica

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher Ing_bio di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Mathematical and numerical methods in engineering e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Università degli Studi di Pisa o del prof Vergara Christian.
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