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PDF 858 / 1160 carry out the computations to the desired accuracy. The engineering decision about the required
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将计算进行到所需的精度。关于所需精度的工程决策通常将基于结果的实际用途。例如,如果正在进行的是一项初步设计研究,那么相对近似的答案往往就足够了;而对于最终的设计工作,通常则需要精确得多的答案。必须认识到,要求超出当前工程目的实际所需的更高精度,通常会在时间、精力或成本上付出代价。

让我们设想,对于例 10.21 中提出的问题,我们已决定需要 $x(1)$ 的值,精确到 1%。在通常需要借助数值求解的情况下,我们并没有解析解可用,因此必须忽略那个解析解。于是我们假设已经得到了 $X_a(1)$ 和 $X_b(1)$ 的值,并希望预测为获得精确到 1% 的 $x(1)$ 的更好近似所需的步长。已知 $X_b(1)$ 的误差应约为 $X_a(1)$ 误差的一半,这表明 $X_b(1)$ 的误差将大致等于 $X_a(1)$ 和 $X_b(1)$ 的误差之差,也就是 $X_a(1)$ 以及 $X_b(1)$ ;也就是说,0.17266。由于 $X_b(1)$ 的 1% 大约为 0.03,大约是 $X_b(1)$ 中误差的六分之一,我们预计使用大约六分之一的步长即可得到 $X_b$ ;也就是说,步长为 $h = 0.00833$ 。当然,在实际中,我们会将其舍入为更方便的非循环小数,例如 $h = 0.008$ 。这一过程与前面介绍的用于估计收敛序列和级数极限的 Aitken 外推法密切相关(见第 7.5.3 节)。

例 10.22 计算满足初值问题 $X(1)$ 的 $x(1)$ 值的近似

$$\frac{dx}{dt} = \frac{x^2}{t+1}, \quad x(0) = 1$$

,使用欧拉法,步长为 $h = 0.008$ 。

解答 值得在此指出的是,例 10.21 中所进行的计算完全可以在任何手持计算器上合理地完成,但这个新的计算需要 125 步。这样做已经接近手持计算器所能合理完成的极限,更适合用计算机来完成。以步长 $h = 0.008$ 重复计算得到的结果 $X(1) = 3.21391$ 。

我们根据已有的证据(即使用步长 $X(1)$ 和 $h = 0.1$ 得到的 $0.05$ 的值)估计,步长 $h = 0.008$ 应能提供误差约为 1% 的 $X(1)$ 的值。将我们刚刚计算出的值与精确解进行比较后发现,其实际误差约为 1.4%。这并没有完全达到我们设定的 1% 的目标。因此,这个例子首先说明了如何根据用欧拉方法以不同步长得到的两个 $x(1)$ 的近似值,来估计在期望精度内计算近似值所需的步长;其次,强调了合适步长的估计仅仅是一个估计,并不能保证所得的近似解满足期望的精度标准。如果我们当时更加