Numerical Analysis
1- Taylor Series =
𝑓( 𝑐)
0!
(π‘₯ βˆ’ 𝑐)0 +
′𝑓( 𝑐)
1!
(π‘₯ βˆ’ 𝑐)1 +
′′𝑓( 𝑐)
2!
(π‘₯ βˆ’ 𝑐)2 …..
2- Maclaurin series =
𝑓(0)
0!
+
′𝑓(0)
1!
(π‘₯)1 +
′′𝑓( 𝑐)
2!
(π‘₯)2 …..
3- Relative Error (RE) = |
π‘‹βˆ’π‘₯
𝑋
|βˆ— 100 4- Absolute Error (AE) = |𝑋 βˆ’ π‘₯| Ɛ=.0001
- Solving non Linear Equation , using iterationMethods :
1- Bisection Method : Given : π‘Ž , 𝑏 - 𝑓(𝑐)
Sol : π‘Ž , 𝑏 , 𝑐 - 𝑓(𝑐) 𝑐 = π‘Ž +/2
2- Newton Method :
Given : π‘₯ - 𝑓(π‘₯)
Sol : 𝑓( π‘₯) , ′𝑓( π‘₯) - π‘₯2 π‘₯2 = π‘₯1 -
𝑓(π‘₯)
′𝑓(π‘₯)
Given : π‘₯0 , 𝑦0 - 𝑓1(π‘₯, 𝑦) - 𝑓2(π‘₯, 𝑦)
π½π‘œ = [
β€²π‘₯ ′𝑦
β€²π‘₯ ′𝑦
] π½π‘œβˆ’1=
1
|π½π‘œ|
[′𝑦 ′𝑦
β€²π‘₯ β€²π‘₯
] = [ π½π‘œβˆ’1]
[
π‘₯1
𝑦1
] = [
π‘₯0
𝑦0
] - [ π½π‘œβˆ’1][
𝑣1
𝑣2
]
3- Secant Method : Given : π‘₯0 , π‘₯1 - 𝑓(π‘₯)
Sol : 𝑓(π‘₯0) , 𝑓(π‘₯1) , π‘₯2 π‘₯2 = π‘₯1 -
𝑓( π‘₯1)(π‘₯0βˆ’π‘₯1)
𝑓(π‘₯0)βˆ’ 𝑓(π‘₯1)
: 𝑓(π‘₯1) , 𝑓(π‘₯2) , π‘₯3
4- Fixed-Point : Given : π‘₯0 , root 𝑓(π‘₯) < [root]
′𝑓(π‘₯) < 1
Sol : π‘₯1 = 𝑓( π‘₯0)
: π‘₯2 = 𝑓( π‘₯1)
- + Β±
- Solving 1 non Linear Equation
𝑣2𝑣1
𝑓1
𝑓2
- Solving 2 non Linear Equation
Matrix Inverse
Eigen Values & Eigen Vectors :
Given : A = [
𝑛 𝑛
𝑛 𝑛
]
Sol : A βˆ’ Ξ»T
: A βˆ’ Ξ»T = 0
: (A βˆ’ Ξ»T) π‘₯ = 0
𝐀 βˆ’ π›Œπ“ :
[ 𝐴] - [
πœ† 0
0 πœ†
]
𝐀 βˆ’ π›Œπ“ = 𝟎 :
[
𝐴 βˆ’ πœ† 1
1 𝐴 βˆ’ πœ†
] = 0 πœ†1 = 𝑣 πœ†2 = 𝑣
𝐀 βˆ’ π›Œπ“ = 𝟎 :
{[ 𝐴] βˆ’ [
πœ†1 0
0 πœ†1
] } [
π‘₯1
π‘₯2
] = [
0
0
] π‘₯1 = 𝑣1 π‘₯2= 𝑣1
{[ 𝐴] βˆ’ [
πœ†2 0
0 πœ†2
] }[
π‘₯1
π‘₯2
] = [
0
0
] π‘₯1 = 𝑣2 π‘₯2 = 𝑣2
- Power Method :
Given : [
𝑛 𝑛 𝑛
𝑛 𝑛 𝑛
] π‘₯0 = [1,1,1] error% || iteration
Sol : [
𝑛 𝑛 𝑛
𝑛 𝑛 𝑛
] [
1
1
1
] = [
𝑣1
𝑣2
𝑣3
] = 𝑣1 [
1
𝑣2
𝑣3
]largest element
𝑐1 π‘₯1
- Interpolation and polynomial approximation :
Given : π‘₯0 , π‘₯1 , π‘₯2
𝑓( π‘₯0) , 𝑓( π‘₯1) , 𝑓( π‘₯2)
Sol : 𝒑( 𝒙) = 𝑓( π‘₯0) 𝐿0( π‘₯) + 𝑓( π‘₯1) 𝐿1( π‘₯) + 𝑓( π‘₯2) 𝐿2( π‘₯)
𝐿0( π‘₯) =
( π‘₯βˆ’π‘₯1)(π‘₯βˆ’π‘₯2)
( π‘₯0βˆ’π‘₯1)(π‘₯0βˆ’π‘₯1)
𝐿1( π‘₯) =
( π‘₯βˆ’π‘₯0)(π‘₯βˆ’π‘₯2)
( π‘₯1βˆ’π‘₯0)(π‘₯1βˆ’π‘₯2)
𝐿2( π‘₯) =
( π‘₯βˆ’π‘₯0)(π‘₯βˆ’π‘₯1)
( π‘₯2βˆ’π‘₯0)(π‘₯2βˆ’π‘₯1)
- Newton’s Interpolating and Polynomial (Divided difference ) :
Given : π‘₯0 , π‘₯1 , π‘₯2
𝑓( π‘₯0) , 𝑓( π‘₯1) , 𝑓( π‘₯2)
Sol : 𝒑( 𝒙) = 𝑓[ π‘₯0] + 𝑓[ π‘₯0 ,π‘₯1]( π‘₯ βˆ’ π‘₯0)
+ 𝑓[ π‘₯0 , π‘₯1 , π‘₯2]( π‘₯ βˆ’ π‘₯0)( π‘₯ βˆ’ π‘₯1)
+ 𝑓[ π‘₯0 ,π‘₯1 , π‘₯2 , π‘₯3]( π‘₯ βˆ’ π‘₯0)( π‘₯ βˆ’ π‘₯1)( π‘₯ βˆ’ π‘₯3)
𝒙 𝒇[ π’™π’Š] 𝑓[π‘₯ 𝑖 , π‘₯ 𝑖+1] 𝑓[ π‘₯ 𝑖 , π‘₯ 𝑖+1 , π‘₯ 𝑖+2] 𝑓[ π‘₯ 𝑖 , π‘₯ 𝑖+1 , π‘₯ 𝑖+2 , π‘₯ 𝑖+3]
π‘₯0 𝑓[ π‘₯0]
𝑓[ π‘₯0 , π‘₯1]
π‘₯1 𝑓[ π‘₯1] 𝑓[ π‘₯0 ,π‘₯1 , π‘₯2]
𝑓[ π‘₯1 , π‘₯2] 𝑓[ π‘₯0 ,π‘₯1 , π‘₯2 ,π‘₯3]
π‘₯2 𝑓[ π‘₯2] 𝑓[ π‘₯1 , π‘₯2 , π‘₯3]
𝑓[ π‘₯2 ,π‘₯3]
π‘₯3 𝑓[ π‘₯3]
𝑓[ π‘₯0 , π‘₯1]= 𝑓[ π‘₯1] - 𝑓[ π‘₯0] / π‘₯1 - π‘₯0
𝑓[ π‘₯0 , π‘₯1 ,π‘₯2]= 𝑓[ π‘₯1 ,π‘₯2] - 𝑓[ π‘₯0 , π‘₯1] / π‘₯2 - π‘₯0
𝑓[ π‘₯0 , π‘₯1 , π‘₯2 , π‘₯3]= 𝑓[ π‘₯1 , π‘₯2 , π‘₯3] - 𝑓[ π‘₯0 ,π‘₯1 , π‘₯2] / π‘₯3 - π‘₯0
- Solving 3 non Linear Equation
Numerical Differentiation
Two Points :
Given : π‘₯ - 𝑓(π‘₯) ′𝑓(π‘₯)
π‘₯1 , π‘₯2 , π‘₯3
𝑓( π‘₯1) , 𝑓( π‘₯2) , 𝑓( π‘₯3)
Forward : ′𝑓( π‘₯3) =
𝑓( π‘₯3)βˆ’ 𝑓( π‘₯2)
π‘₯3βˆ’ π‘₯2
Backward : ′𝑓( π‘₯1) =
𝑓( π‘₯2)βˆ’ 𝑓( π‘₯1)
π‘₯2βˆ’ π‘₯1
Central : ′𝑓( π‘₯2) =
𝑓( π‘₯3)βˆ’ 𝑓( π‘₯1)
π‘₯3βˆ’ π‘₯1
Three Point :
Given : π‘₯ - 𝑓(π‘₯) ′𝑓(π‘₯)
π‘₯1 , π‘₯2 , π‘₯3
𝑓( π‘₯1) , 𝑓( π‘₯2) , 𝑓( π‘₯3)
′𝒇( 𝒙 π’Š) =
βˆ’3𝑓( π‘₯1)+4𝑓( π‘₯2)βˆ’π‘“( π‘₯3)
2.β„Ž
DifferentiationFormulasusingLagrange Polynomials :
Given : π‘₯ - 𝑓(π‘₯) ′𝑓(π‘₯)
π‘₯1 , π‘₯2 , π‘₯3
𝑓( π‘₯1) , 𝑓( π‘₯2) , 𝑓( π‘₯3)
′𝒇( 𝒙 𝟐) = 𝑓( π‘₯1)
π‘₯2 βˆ’ π‘₯3
( π‘₯1βˆ’ π‘₯2)(π‘₯1βˆ’ π‘₯3)
+
𝑓( π‘₯2)
2π‘₯2 βˆ’ π‘₯1βˆ’ π‘₯3
( π‘₯2βˆ’ π‘₯1)(π‘₯2 βˆ’ π‘₯1βˆ’ π‘₯3)
+
𝑓( π‘₯3)
π‘₯2 βˆ’ π‘₯1
( π‘₯3βˆ’ π‘₯2)(π‘₯3βˆ’ π‘₯1)
+
2
Ɛ =
′𝑓( π‘₯ 𝑖)βˆ’ ′𝑓( π‘₯)
′𝑓( π‘₯)
Ɛ =
′𝑓( π‘₯ 𝑖)βˆ’ ′𝑓( π‘₯)
′𝑓( π‘₯)
Ɛ =
′𝑓( π‘₯ 𝑖)βˆ’ ′𝑓( π‘₯)
′𝑓( π‘₯)

Numerical Analysis

  • 1.
    Numerical Analysis 1- TaylorSeries = 𝑓( 𝑐) 0! (π‘₯ βˆ’ 𝑐)0 + ′𝑓( 𝑐) 1! (π‘₯ βˆ’ 𝑐)1 + ′′𝑓( 𝑐) 2! (π‘₯ βˆ’ 𝑐)2 ….. 2- Maclaurin series = 𝑓(0) 0! + ′𝑓(0) 1! (π‘₯)1 + ′′𝑓( 𝑐) 2! (π‘₯)2 ….. 3- Relative Error (RE) = | π‘‹βˆ’π‘₯ 𝑋 |βˆ— 100 4- Absolute Error (AE) = |𝑋 βˆ’ π‘₯| Ɛ=.0001 - Solving non Linear Equation , using iterationMethods : 1- Bisection Method : Given : π‘Ž , 𝑏 - 𝑓(𝑐) Sol : π‘Ž , 𝑏 , 𝑐 - 𝑓(𝑐) 𝑐 = π‘Ž +/2 2- Newton Method : Given : π‘₯ - 𝑓(π‘₯) Sol : 𝑓( π‘₯) , ′𝑓( π‘₯) - π‘₯2 π‘₯2 = π‘₯1 - 𝑓(π‘₯) ′𝑓(π‘₯) Given : π‘₯0 , 𝑦0 - 𝑓1(π‘₯, 𝑦) - 𝑓2(π‘₯, 𝑦) π½π‘œ = [ β€²π‘₯ ′𝑦 β€²π‘₯ ′𝑦 ] π½π‘œβˆ’1= 1 |π½π‘œ| [′𝑦 ′𝑦 β€²π‘₯ β€²π‘₯ ] = [ π½π‘œβˆ’1] [ π‘₯1 𝑦1 ] = [ π‘₯0 𝑦0 ] - [ π½π‘œβˆ’1][ 𝑣1 𝑣2 ] 3- Secant Method : Given : π‘₯0 , π‘₯1 - 𝑓(π‘₯) Sol : 𝑓(π‘₯0) , 𝑓(π‘₯1) , π‘₯2 π‘₯2 = π‘₯1 - 𝑓( π‘₯1)(π‘₯0βˆ’π‘₯1) 𝑓(π‘₯0)βˆ’ 𝑓(π‘₯1) : 𝑓(π‘₯1) , 𝑓(π‘₯2) , π‘₯3 4- Fixed-Point : Given : π‘₯0 , root 𝑓(π‘₯) < [root] ′𝑓(π‘₯) < 1 Sol : π‘₯1 = 𝑓( π‘₯0) : π‘₯2 = 𝑓( π‘₯1) - + Β± - Solving 1 non Linear Equation 𝑣2𝑣1 𝑓1 𝑓2 - Solving 2 non Linear Equation Matrix Inverse
  • 4.
    Eigen Values &Eigen Vectors : Given : A = [ 𝑛 𝑛 𝑛 𝑛 ] Sol : A βˆ’ Ξ»T : A βˆ’ Ξ»T = 0 : (A βˆ’ Ξ»T) π‘₯ = 0 𝐀 βˆ’ π›Œπ“ : [ 𝐴] - [ πœ† 0 0 πœ† ] 𝐀 βˆ’ π›Œπ“ = 𝟎 : [ 𝐴 βˆ’ πœ† 1 1 𝐴 βˆ’ πœ† ] = 0 πœ†1 = 𝑣 πœ†2 = 𝑣 𝐀 βˆ’ π›Œπ“ = 𝟎 : {[ 𝐴] βˆ’ [ πœ†1 0 0 πœ†1 ] } [ π‘₯1 π‘₯2 ] = [ 0 0 ] π‘₯1 = 𝑣1 π‘₯2= 𝑣1 {[ 𝐴] βˆ’ [ πœ†2 0 0 πœ†2 ] }[ π‘₯1 π‘₯2 ] = [ 0 0 ] π‘₯1 = 𝑣2 π‘₯2 = 𝑣2 - Power Method : Given : [ 𝑛 𝑛 𝑛 𝑛 𝑛 𝑛 ] π‘₯0 = [1,1,1] error% || iteration Sol : [ 𝑛 𝑛 𝑛 𝑛 𝑛 𝑛 ] [ 1 1 1 ] = [ 𝑣1 𝑣2 𝑣3 ] = 𝑣1 [ 1 𝑣2 𝑣3 ]largest element 𝑐1 π‘₯1
  • 5.
    - Interpolation andpolynomial approximation : Given : π‘₯0 , π‘₯1 , π‘₯2 𝑓( π‘₯0) , 𝑓( π‘₯1) , 𝑓( π‘₯2) Sol : 𝒑( 𝒙) = 𝑓( π‘₯0) 𝐿0( π‘₯) + 𝑓( π‘₯1) 𝐿1( π‘₯) + 𝑓( π‘₯2) 𝐿2( π‘₯) 𝐿0( π‘₯) = ( π‘₯βˆ’π‘₯1)(π‘₯βˆ’π‘₯2) ( π‘₯0βˆ’π‘₯1)(π‘₯0βˆ’π‘₯1) 𝐿1( π‘₯) = ( π‘₯βˆ’π‘₯0)(π‘₯βˆ’π‘₯2) ( π‘₯1βˆ’π‘₯0)(π‘₯1βˆ’π‘₯2) 𝐿2( π‘₯) = ( π‘₯βˆ’π‘₯0)(π‘₯βˆ’π‘₯1) ( π‘₯2βˆ’π‘₯0)(π‘₯2βˆ’π‘₯1) - Newton’s Interpolating and Polynomial (Divided difference ) : Given : π‘₯0 , π‘₯1 , π‘₯2 𝑓( π‘₯0) , 𝑓( π‘₯1) , 𝑓( π‘₯2) Sol : 𝒑( 𝒙) = 𝑓[ π‘₯0] + 𝑓[ π‘₯0 ,π‘₯1]( π‘₯ βˆ’ π‘₯0) + 𝑓[ π‘₯0 , π‘₯1 , π‘₯2]( π‘₯ βˆ’ π‘₯0)( π‘₯ βˆ’ π‘₯1) + 𝑓[ π‘₯0 ,π‘₯1 , π‘₯2 , π‘₯3]( π‘₯ βˆ’ π‘₯0)( π‘₯ βˆ’ π‘₯1)( π‘₯ βˆ’ π‘₯3) 𝒙 𝒇[ π’™π’Š] 𝑓[π‘₯ 𝑖 , π‘₯ 𝑖+1] 𝑓[ π‘₯ 𝑖 , π‘₯ 𝑖+1 , π‘₯ 𝑖+2] 𝑓[ π‘₯ 𝑖 , π‘₯ 𝑖+1 , π‘₯ 𝑖+2 , π‘₯ 𝑖+3] π‘₯0 𝑓[ π‘₯0] 𝑓[ π‘₯0 , π‘₯1] π‘₯1 𝑓[ π‘₯1] 𝑓[ π‘₯0 ,π‘₯1 , π‘₯2] 𝑓[ π‘₯1 , π‘₯2] 𝑓[ π‘₯0 ,π‘₯1 , π‘₯2 ,π‘₯3] π‘₯2 𝑓[ π‘₯2] 𝑓[ π‘₯1 , π‘₯2 , π‘₯3] 𝑓[ π‘₯2 ,π‘₯3] π‘₯3 𝑓[ π‘₯3] 𝑓[ π‘₯0 , π‘₯1]= 𝑓[ π‘₯1] - 𝑓[ π‘₯0] / π‘₯1 - π‘₯0 𝑓[ π‘₯0 , π‘₯1 ,π‘₯2]= 𝑓[ π‘₯1 ,π‘₯2] - 𝑓[ π‘₯0 , π‘₯1] / π‘₯2 - π‘₯0 𝑓[ π‘₯0 , π‘₯1 , π‘₯2 , π‘₯3]= 𝑓[ π‘₯1 , π‘₯2 , π‘₯3] - 𝑓[ π‘₯0 ,π‘₯1 , π‘₯2] / π‘₯3 - π‘₯0 - Solving 3 non Linear Equation
  • 6.
    Numerical Differentiation Two Points: Given : π‘₯ - 𝑓(π‘₯) ′𝑓(π‘₯) π‘₯1 , π‘₯2 , π‘₯3 𝑓( π‘₯1) , 𝑓( π‘₯2) , 𝑓( π‘₯3) Forward : ′𝑓( π‘₯3) = 𝑓( π‘₯3)βˆ’ 𝑓( π‘₯2) π‘₯3βˆ’ π‘₯2 Backward : ′𝑓( π‘₯1) = 𝑓( π‘₯2)βˆ’ 𝑓( π‘₯1) π‘₯2βˆ’ π‘₯1 Central : ′𝑓( π‘₯2) = 𝑓( π‘₯3)βˆ’ 𝑓( π‘₯1) π‘₯3βˆ’ π‘₯1 Three Point : Given : π‘₯ - 𝑓(π‘₯) ′𝑓(π‘₯) π‘₯1 , π‘₯2 , π‘₯3 𝑓( π‘₯1) , 𝑓( π‘₯2) , 𝑓( π‘₯3) ′𝒇( 𝒙 π’Š) = βˆ’3𝑓( π‘₯1)+4𝑓( π‘₯2)βˆ’π‘“( π‘₯3) 2.β„Ž DifferentiationFormulasusingLagrange Polynomials : Given : π‘₯ - 𝑓(π‘₯) ′𝑓(π‘₯) π‘₯1 , π‘₯2 , π‘₯3 𝑓( π‘₯1) , 𝑓( π‘₯2) , 𝑓( π‘₯3) ′𝒇( 𝒙 𝟐) = 𝑓( π‘₯1) π‘₯2 βˆ’ π‘₯3 ( π‘₯1βˆ’ π‘₯2)(π‘₯1βˆ’ π‘₯3) + 𝑓( π‘₯2) 2π‘₯2 βˆ’ π‘₯1βˆ’ π‘₯3 ( π‘₯2βˆ’ π‘₯1)(π‘₯2 βˆ’ π‘₯1βˆ’ π‘₯3) + 𝑓( π‘₯3) π‘₯2 βˆ’ π‘₯1 ( π‘₯3βˆ’ π‘₯2)(π‘₯3βˆ’ π‘₯1) + 2 Ɛ = ′𝑓( π‘₯ 𝑖)βˆ’ ′𝑓( π‘₯) ′𝑓( π‘₯) Ɛ = ′𝑓( π‘₯ 𝑖)βˆ’ ′𝑓( π‘₯) ′𝑓( π‘₯) Ɛ = ′𝑓( π‘₯ 𝑖)βˆ’ ′𝑓( π‘₯) ′𝑓( π‘₯)