Docsity
Docsity

Prepare for your exams
Prepare for your exams

Study with the several resources on Docsity


Earn points to download
Earn points to download

Earn points by helping other students or get them with a premium plan


Guidelines and tips
Guidelines and tips

Application Of Differentiation Using Difference Operators-Numerical Analysis-Lecture Handouts, Lecture notes of Mathematical Methods for Numerical Analysis and Optimization

This course contains solution of non linear equations and linear system of equations, approximation of eigen values, interpolation and polynomial approximation, numerical differentiation, integration, numerical solution of ordinary differential equations. This lecture includes: Differentiation, Difference, Operators, Shift, Backward, Average, Interior, Tabular, Point, Equation, Multiply

Typology: Lecture notes

2011/2012

Uploaded on 08/05/2012

saruy
saruy 🇮🇳

4.5

(114)

132 documents

1 / 6

Toggle sidebar

This page cannot be seen from the preview

Don't miss anything!

bg1
Numerical Analysis –MTH603 VU
© Copyright Virtual University of Pakistan 1
D
DI
IF
FF
FE
ER
RE
EN
NT
TI
IA
AT
TI
IO
ON
N
U
US
SI
IN
NG
G
D
DI
IF
FF
FE
ER
RE
EN
NC
CE
E
O
OP
PR
RE
EA
AT
TO
OR
RS
S:
:
A
Ap
pp
pl
li
ic
ca
at
ti
io
on
ns
s:
:
R
Re
em
me
em
mb
be
er
r
U
Us
si
in
ng
g
f
fo
or
rw
wa
ar
rd
d
d
di
if
ff
fe
er
re
en
nc
ce
e
o
op
pe
er
ra
at
to
or
r
,
,
t
th
he
e
s
sh
hi
if
ft
t
o
op
pe
er
ra
at
to
or
r,
,
t
th
he
e
b
ba
ac
ck
kw
wa
ar
rd
d
d
di
if
ff
fe
er
re
en
nc
ce
e
o
op
pe
er
ra
at
to
or
r
a
an
nd
d
t
th
he
e
a
av
ve
er
ra
ag
ge
e
d
di
if
ff
fe
er
re
en
nc
ce
e
o
op
pe
er
ra
at
to
or
r,
w
we
e
o
ob
bt
ta
ai
in
ne
ed
d
t
th
he
e
f
fo
ol
ll
lo
ow
wi
in
ng
g
f
fo
or
rm
mu
ul
la
ae
e:
:
234
000
00 0
1
234
yyy
Dy y y
h

∆∆∆
== + +


"
23
200
20
00
22
45
00
111 5
12 6
yy
dy
Dy y
dx h yy

∆−

′′
===

+∆ +


"
234
1
234
nnn
nnn n
yyy
dyDyy y
dx h

∇∇∇
=== + + +


"
(
22345
2
1115
12 6
nn nn n n
yDy y y y y
h
′′ = = ∇++∇+∇+
"
2246
2
111
12 90
yDy y y y
h
δδδ

′′ == +


"
35
11 3
24 640
dyy Dy y y y
dx h
δδ δ

== = +


"
R
Re
ec
ca
al
ll
l
f
fr
ro
om
m
w
wh
ha
at
t
w
we
e
m
me
en
nt
ti
io
on
ne
ed
d
i
in
n
t
th
he
e
l
la
as
st
t
l
le
ec
ct
tu
ur
re
e
t
th
ha
at
t
f
fo
or
r
c
ca
al
lc
cu
ul
la
at
ti
in
ng
g
t
th
he
e
s
se
ec
co
on
nd
d
d
de
er
ri
iv
va
at
ti
iv
ve
e
a
at
t
a
an
n
i
in
nt
te
er
ri
io
or
r
t
ta
ab
bu
ul
la
ar
r
p
po
oi
in
nt
t,
,
w
we
e
u
us
se
e
t
th
he
e
e
eq
qu
ua
at
ti
io
on
n
2246
2
113
12 90
Dh
δδδ

=−+


"
W
Wh
hi
il
le
e
f
fo
or
r
c
co
om
mp
pu
ut
ti
in
ng
g
t
th
he
e
f
fi
ir
rs
st
t
d
de
er
ri
iv
va
at
ti
iv
ve
e
a
at
t
a
an
n
i
in
nt
te
er
ri
io
or
r
t
ta
ab
bu
ul
la
ar
r
p
po
oi
in
nt
t,
,
w
we
e
i
in
n
g
ge
en
ne
er
ra
al
l
u
us
se
e
a
an
no
ot
th
he
er
r
c
co
on
nv
ve
en
ni
ie
en
nt
t
f
fo
or
rm
m
f
fo
or
r
D
D,
,
w
wh
hi
ic
ch
h
i
is
s
d
de
er
ri
iv
ve
ed
d
a
as
s
f
fo
ol
ll
lo
ow
ws
s.
.
M
Mu
ul
lt
ti
ip
pl
ly
y
t
th
he
e
r
ri
ig
gh
ht
t
h
ha
an
nd
d
s
si
id
de
e
o
of
f
35
11 3
24 640
dyy Dy y y y
dx h
δδ δ

== = +


"
By 2
1( 4)
µ
δ
+
W
Wh
hi
ic
ch
h
i
is
s
u
un
ni
it
ty
y
a
an
nd
d
n
no
ot
ti
in
ng
g
t
th
he
e
B
Bi
in
no
om
mi
ia
al
l
e
ex
xp
pa
an
ns
si
io
on
n
12
2246
11315
11
4 8 128 48 64
δδδδ

+=+ +
 ×
 "
We get
24 35
13 1 3
18 128 24 640
Dh
µδδ δδδ

=−+ +


""
docsity.com
pf3
pf4
pf5

Partial preview of the text

Download Application Of Differentiation Using Difference Operators-Numerical Analysis-Lecture Handouts and more Lecture notes Mathematical Methods for Numerical Analysis and Optimization in PDF only on Docsity!

DIDIFFFFEERREENNTTIIAATTIIOONN UUSSIINNGG DDIIFFFFEERREENNCCEE OOPPRREEAATTOORRSS::

Ap Appplliiccaattiioonnss::

RReemmeemmbbeerr UUssiinngg ffoorrwwaarrdd ddiiffffeerreennccee ooppeerraattoorr^ ∆∆, t,thhee sshhiifftt ooppeerraattoorr,, tthhee bbaacckkwwaarrdd

ddiiffffeerreennccee ooppeerraattoorr aanndd tthhee aavveerraaggee ddiiffffeerreennccee ooppeerraattoorr, wwee oobbttaaiinneedd tthhee ffoolllloowwiinngg

ffoorrmmuullaaee::

2 3 4 0 0 0 0 0 0

y y y Dy y y h

2 3 (^2 0 ) (^2 ) (^0 2 02 4 )

0 0

y y d y D y y dx h (^) y y

 +^ ∆^ −^ ∆^ + 

2 3 4 1

n n n n n n n

d y y y y Dy y y dx h

2 2 3 4 5 2

y n D y (^) n yn yn yn yn h

2 2 4 6 2

y D y y y y h

d y y Dy y y y dx h

RReeccaallll ffrroomm wwhhaatt wwee mmeennttiioonneedd iinn tthhee llaasstt lleeccttuurree tthhaatt ffoorr ccaallccuullaattiinngg tthhee sseeccoonndd

ddeerriivvaattiivvee aatt aann iinntteerriioorr ttaabbuullaarr ppooiinntt,, wwee uussee tthhee eeqquuaattiioonn

2 2 4 6 2

D

h

WWhhiillee ffoorr ccoommppuuttiinngg tthhee ffiirrsstt ddeerriivvaattiivvee aatt aann iinntteerriioorr ttaabbuullaarr ppooiinntt,, wwee iinn ggeenneerraall uussee

aannootthheerr ccoonnvveenniieenntt ffoorrmm ffoorr DD,, wwhhiicchh iiss ddeerriivveedd aass ffoolllloowwss.. MMuullttiippllyy tthhee rriigghhtt hhaanndd

ssiiddee ooff

d y y Dy y y y dx h

By 2 1 ( 4)

WWhhiicchh iiss uunniittyy aanndd nnoottiinngg tthhee BBiinnoommiiaall eexxppaannssiioonn

1 2 (^1 2 1 2 3 4 ) 1 1 4 8 128 48 64

−    +^  =^ −^ +^ −^ +   ×

We get

D

h

SSiimmpplliiffiiccaattiioonn wwee ggeett

(^1 3 )

D

h

TThheerreeffoorree tthhee eeqquuaattiioonn ccaann aallssoo bbee wwrriitttteenn iinn aannootthheerr uusseeffuull ffoorrmm aass

y D y y y h

TThhee llaasstt ttwwoo eeqquuaattiioonnss yy”” aannddyy’’ rreessppeeccttiivveellyy aarree kknnoowwnn aass SSttiirrlliinngg’’ss ffoorrmmuullaaee ffoorr

ccoommppuuttiinngg tthhee ddeerriivvaattiivveess ooff aa ttaabbuullaarr ffuunnccttiioonn.. SSiimmiillaarr ffoorrmmuullaaee ccaann bbee ddeerriivveedd ffoorr

ccoommppuuttiinngg hhiigghheerr oorrddeerr ddeerriivvaattiivveess ooff aa ttaabbuullaarr ffuunnccttiioonn..

TThhee eeqquuaattiioonn ffoorr yy’’ ccaann aallssoo bbee wwrriitttteenn aass

2 2 2 2 2 2 1 3 (1) (2) 5 (1) (2) (3) 7

y y y y y h

IInn oorrddeerr ttoo iilllluussttrraattee tthhee uussee ooff ffoorrmmuullaaee ddeerriivveedd ssoo ffaarr,, ffoorr ccoommppuuttiinngg tthhee

ddeerriivvaattiivveess ooff aa ttaabbuullaatteedd ffuunnccttiioonn,, wwee ccoonnssiiddeerr tthhee ffoolllloowwiinngg eexxaammppllee ::

ExExaammppllee::

CCoommppuuttee^ f^ ′′(0)^ aanndd^ f^ ′(0.2)^ frfroomm tthhee ffoolllloowwiinngg ttaabbuullaarr ddaattaa..

So Solluuttiioonn

SSiinnccee xx == 00 aanndd 00..22 aappppeeaarr aatt aanndd nneeaarr bbeeggiinnnniinngg ooff tthhee ttaabbllee,, iitt iiss aapppprroopprriiaattee ttoo uussee

ffoorrmmuullaaee bbaasseedd oonn ffoorrwwaarrdd ddiiffffeerreenncceess ttoo ffiinndd tthhee ddeerriivvaattiivveess.. TThhee ddiiffffeerreennccee ttaabbllee ffoorr tthhee

ggiivveenn ddaattaa iiss ddeeppiicctteedd bbeellooww::

xx ff((xx)) ∆ f ( ) x 2 ∆ f ( ) x

f ( ) x

f ( ) x

f ( ) x

0 0..6^6 113 3..9^966 110 0..4^400 8 8..0^000 9 9..6^600 3. 3 .8^844 0. 0 .0^0

0 0..8^8 441 1..9^966 228 8..0^000 117 7..6^600 113 3..4^444 3. 3 .8^844

1 1..0^0 11001 1..0^000 559 9..0^044 331 1..0^044

UUssiinngg ffoorrwwaarrdd ddiiffffeerreennccee ffoorrmmuullaa ffoorr

2 D f ( ), x

i. i.ee

xx 0 0..0 0 0 0..2 2 0 0..4 4 0 0..6 6 0. 0 .8 8 1. 1 .0 0

FF((xx))^1 1..0^000 1 1..1^166 3 3..5^566 113 3..9^966 414 1..9^966 10101 1..0^000

y

AAllssoo

2 3 4 2

y n yn yn yn h

TThheerreeffoorree

2 (

y

EExxaammppllee

Given the table of values, estimate,

// y (1.3)

Solution Since x = 1.3 appear at beginning of the table, it is appropriate to use formulae

based on forward differences to find the derivatives. The difference table for the given

data is depicted below:

H=0.

Using forward difference formula for

2 D f ( ), x

2 2 3 4 5 2

1 11 5 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 12 6

D f x f x f x f x f x h

 = ∆ − ∆ + ∆ − ∆   

We obtain

x 1.3 1.5 1.7 1.9 2.1 2.

y 2.9648 2.6599 2.3333 1.9922 1.6442 1.

x y ∆ f ( ) x ∆ 2 f ( ) x ∆ 3 f ( ) x ∆^4 f ( ) x ∆^5 f ( ) x

[ ]

[ ]

2

2

2

2

f

f

f

f

′′ (^) = (^) [ 282] = −0.

CCaassee IIVV:: DDeerriivvaattiioonn ooff TTwwoo aanndd tthhrreeee ppooiinntt ffoorrmmuullaaee::

RReettaaiinniinngg oonnllyy tthhee ffiirrsstt tteerrmm iinn eeqquuaattiioonn::

2 3 4 0 0 0 0 0 0

y y y Dy y y h

wwee ccaann ggeett aannootthheerr uusseeffuull ffoorrmm ffoorr tthhee ffiirrsstt ddeerriivvaattiivvee aass

i i 1 i (^ i )^ (^ i ) i

y y y y x h y x

h h h

SSiimmiillaarrllyy,, bbyy rreettaaiinniinngg oonnllyy tthhee ffiirrsstt tteerrmm iinn EEqqnn..

2 3 4 1

n n n n n n n

d y y y y Dy y y dx h

i i i 1 (^ i )^ (^ i ) i

y y y y x y x h y h h h

AAddddiinngg tthhee llaasstt ttwwoo eeqquuaattiioonnss,, wwee hhaavvee

i i i

y x h y x h y h

TThheessee EEqquuaattiioonnss ccoonnssttiittuuttee ttwwoo--ppooiinntt ffoorrmmuullaaee ffoorr tthhee ffiirrsstt ddeerriivvaattiivvee.. BByy rreettaaiinniinngg oonnllyy

tthhee ffiirrsstt tteerrmm iinn EEqquuaattiioonn ,,

2 3 4 (^2 0 0 ) (^2 ) (^0 2 ) 5 0

y y y d y D y y dx h y

 +^ ∆^ + 

wwee ggeett,,

2 2 1 2 2 2

i i^2 i i (^ i 2 )^ 2 (^ i )^ (^ i ) i

y y y y y x h y x h y x y h h h

SSiimmiillaarrllyy wwee ggeett^

2

2 2

i i i i i

y y x y x h y x h y h h

WWhhiillee rreettaaiinniinngg oonnllyy tthhee ffiirrsstt tteerrmm iinn tthhee eexxpprreessssiioonn ffoorr yy”” iinn tteerrmmss ooff^ δ^ wwee oobbttaaiinn docsity.com