Как показать ошибку усечения численного дифференцирования второго порядка, является квадратом численного дифференцирования первого порядка - PullRequest
Новая
       85

Как показать ошибку усечения численного дифференцирования второго порядка, является квадратом численного дифференцирования первого порядка

0 голосов
/ 28 октября 2019

Я пытаюсь показать, что ошибка усечения численного дифференцирования второго порядка действительно дает нам двойную точность, чем числовое дифференцирование первого порядка (с учетом ошибки машины / ошибки округления eps())

Вот мой код в Julia: 

function first_order_numerical_D(f)
  function df(x)
    h = sqrt(eps(x))        
    (f(x+h) - f(x))/h
  end
  df
end

function second_order_numerical_D(f)
  function df(x)
    h = sqrt(eps(x))          
    (f(x+h) - f(x-h))/(2.0*h)
  end
  df
end

function analytical_diff_exp(x)
    return exp(x)
end
function analytical_diff_sin(x)
    return cos(x)
end
function analytical_diff_cos(x)
    return -sin(x)
end
function analytical_diff_sqrt(x)
    return 1/(2.0*sqrt(x))
end

function first_order_error_exp(x)
    return first_order_numerical_D(exp)(x) - analytical_diff_exp(x) 
end
function first_order_error_sin(x)
    return first_order_numerical_D(sin)(x) - analytical_diff_sin(x) 
end
function first_order_error_cos(x)
    return first_order_numerical_D(cos)(x) - analytical_diff_cos(x) 
end
function first_order_error_sqrt(x)
    return first_order_numerical_D(sqrt)(x) - analytical_diff_sqrt(x) 
end

function second_order_error_exp(x)
    return second_order_numerical_D(exp)(x) - analytical_diff_exp(x)
end
function second_order_error_sin(x)
    return second_order_numerical_D(sin)(x) - analytical_diff_sin(x)
end
function second_order_error_cos(x)
    return second_order_numerical_D(cos)(x) - analytical_diff_cos(x) 
end
function second_order_error_sqrt(x)
    return second_order_numerical_D(sqrt)(x) - analytical_diff_sqrt(x) 
end

function round_off_err_exp(x)
    return 2.0*sqrt(eps(x))*exp(x)
end
function round_off_err_sin(x)
    return 2.0*sqrt(eps(x))*sin(x)
end
function round_off_err_cos(x)
    return 2.0*sqrt(eps(x))*cos(x)
end
function round_off_err_sqrt(x)
    return 2.0*sqrt(eps(x))*sqrt(x)
end

function first_order_truncation_err_exp(x)
    return abs(first_order_error_exp(x)+round_off_err_exp(x))
end
function first_order_truncation_err_sin(x)
    return abs(first_order_error_sin(x)+round_off_err_sin(x))
end
function first_order_truncation_err_cos(x)
    return abs(first_order_error_cos(x)+round_off_err_cos(x))
end
function first_order_truncation_err_sqrt(x)
    return abs(first_order_error_sqrt(x)+round_off_err_sqrt(x))
end

function second_order_truncation_err_exp(x)
    return abs(second_order_error_exp(x)+0.5*round_off_err_exp(x))
end
function second_order_truncation_err_sin(x)
    return abs(second_order_error_sin(x)+0.5*round_off_err_sin(x))
end
function second_order_truncation_err_cos(x)
    return abs(second_order_error_cos(x)+0.5*round_off_err_cos(x))
end
function second_order_truncation_err_sqrt(x)
    return abs(second_order_error_sqrt(x)+0.5*round_off_err_sqrt(x))
end

Это должно дать мне правильную ошибку усечения, если я вычту (здесь я использую сложение, потому что фактическое расширение Тейлора показывает, что и ошибка округления, и усечениеошибка имеет отрицательный знак перед ними) round_off_err_f термин.

Для аналитического вывода / доказательства см .: https://www.uio.no/studier/emner/matnat/math/MAT-INF1100/h10/kompendiet/kap11.pdf http://www2.math.umd.edu/~dlevy/classes/amsc466/lecture-notes/differentiation-chap.pdf

Но результаты показывают, что: 

first_order_truncation_err_exp(0.5), first_order_truncation_err_sin(0.5), first_order_truncation_err_cos(0.5), first_order_truncation_err_sqrt(0.5)

(4.6783240139052204e-8, 1.2990419187857229e-8, 2.8342226290287478e-9, 4.364449135429996e-9)

second_order_truncation_err_exp(0.5), second_order_truncation_err_sin(0.5), second_order_truncation_err_cos(0.5), second_order_truncation_err_sqrt(0.5)

(1.8874426561390482e-8, 7.938850300905947e-9, 4.1240999200086055e-9, 7.45058059692383e-9)

Где: 

eps(0.5)=1.1102230246251565e-16

Значение second_order_truncation_err_f() должно быть порядка 1e-16, а не 1e-8, я не знаю, почему это не работает.

1 Ответ

0 голосов
/ 28 октября 2019

Это потому, что в вычислениях преобладает ошибка округления. Т.е.: 

julia> round_off_err_sqrt(0.5)
1.490116119384766e-8

И чтобы увидеть разницу между вашими производными «второго порядка» (обычно я вижу термин «центральная разница для этого»), вам нужно выбрать больший размер шага. В литературе обычно встречается h = cbrt(eps()). 

function second_order_numerical_D(f)
    function df(x)
        h = cbrt(eps(x))          
        (f(x+h/2) - f(x-h/2))/h
    end
    df
end
julia> second_order_error_exp(0.5)
1.308131380994837e-11
...