Математика / Начала анализа
Метод Хойна: явное усреднение двух наклонов
В этой двухстадийной схеме сначала делают прогноз Эйлера на полный шаг, затем усредняют начальный и прогнозный конечный наклоны. Метод имеет второй порядок, но названия его вариантов различаются в литературе.
Формула
y новое = 1 + 0,2 × 1,22 = 1,244
Обозначения
- $k_1$
- начальный наклон, единица состояния / единица аргумента
- $k_2$
- наклон в конце прогнозного шага, единица состояния / единица аргумента
- $h$
- полный шаг, единица аргумента
- $y_n$
- исходное состояние, единица состояния
- $t_n$
- начало шага, единица аргумента
Условия применения
Правая часть должна допускать вычисление в начальной и прогнозной конечной точках; для второго порядка нужна достаточная гладкость и обычные условия устойчивой сходимости. Здесь применяется ровно одно исправление после прогноза, без последующих итераций.
Ограничения
Конечный наклон вычисляется по прогнозу, а не по окончательно принятому состоянию. Поэтому схема явная и отличается от неявных трапеций. Слова «Хойн» и «модифицированный Эйлер» в разных книгах обозначают разные таблицы коэффициентов; ориентироваться следует на стадии.
Подробное объяснение
Производная обычно изменяется внутри шага. Вместо переноса только начального наклона эта схема пробует оценить оба края. Начальный k₁ даёт прогноз y* = yₙ+hk₁, затем в точке (tₙ+h,y*) находится второй наклон k₂.
Состояние исправляется из исходной точки: к yₙ прибавляют половину суммы двух наклонов, умноженную на h. Прогноз y* не является ответом и не складывается с исправлением повторно. Если производная постоянна, оба наклона равны и схема точно воспроизводит линейное изменение.
Для гладкой правой части такой прогноз достаточно точен, чтобы усреднение согласовалось с рядом точного решения до второго порядка. Локальная ошибка перехода имеет порядок h³, а общая на ограниченном интервале — h². Понижение h вдвое асимптотически уменьшает ведущую ошибку примерно в четыре раза.
Название «явные трапеции» связано с приближением интеграла производной средним значением на концах. Это аналогия способа интегрирования, а не равенство с неявной трапецеидальной схемой: там конечный наклон зависит от уже исправленного yₙ₊₁ и возникает уравнение для нового слоя.
На линейном тесте y′ = λy эта схема и явная средняя точка имеют один множитель 1+hλ+(hλ)²/2. На нелинейном примере они расходятся: разные пробные состояния меняют вторую производную. По одному линейному тесту нельзя заключать, что два метода тождественны.
Как пользоваться формулой
- В исходной точке найдите k₁ и постройте полный прогноз y* = y+h·k₁, сохранив отдельно старое состояние.
- Вычислите второй наклон при t+h и прогнозном y*; это одна оценка правой части, а не решение неявного уравнения.
- Найдите среднее двух наклонов и прибавьте h, умноженное на это среднее, к старому y для принятого ответа.
- Проверьте результат уменьшением шага; в отчёте укажите формулы стадий, чтобы неоднозначность названия не меняла алгоритм.
Историческая справка
Двухстадийные улучшения Эйлера входят в семейство методов Рунге — Кутты, которое сформировалось на рубеже XIX и XX веков. Их общая идея — повышать порядок несколькими вычислениями правой части, не выписывая высокие производные решения. История терминов сложнее одной фамилии: название Хойна часто используют для явного усреднения крайних наклонов, но в Fundamentals of Numerical Computation эта таблица названа модифицированным Эйлером, а именем Хойна обозначена другая двухстадийная таблица. Авторы прямо предупреждают о расхождении названий. Поэтому здесь историческое имя сопровождается полным алгоритмом. Это позволяет воспроизвести расчёт независимо от учебной традиции и не приписывать все схемы второго порядка одному человеку.
Историческая линия формулы
Использовано распространённое название «метод Хойна» для явных трапеций с весами 1/2 и 1/2. В источнике FNC эта же схема обозначена ME2. Речь идёт о конкретной таблице коэффициентов, а не об утверждении первенства или единой терминологии всех учебников.
Пример
Для y′ = y², y(0) = 1 возьмём h = 0,2. Начальный наклон k₁ = 1. Прогноз Эйлера y* = 1+0,2·1 = 1,2, а конечный прогнозный наклон k₂ = 1,2² = 1,44. Исправленное значение y₁ = 1+0,2·(1+1,44)/2 = 1,244. Точное y(0,2) = 1/(1−0,2) = 1,25, поэтому абсолютная ошибка равна 0,006. Прогноз 1,2 и окончательный ответ 1,244 имеют разные роли. Явная средняя точка на той же задаче даёт 1,242, что демонстрирует различие двух схем второго порядка. Все величины безразмерны, а вычисленный ответ относится к полному моменту t = 0,2. Одного удачного сравнения недостаточно, чтобы объявлять эту схему точнее средней точки на любой задаче.
Частая ошибка
Не усредняйте состояния y и y* вместо наклонов. Не пересчитывайте конечный наклон по исправленному ответу без указания нового итерационного алгоритма. Не заменяйте полную прогнозную точку средней точкой. Не считайте совпадение на y′ = λy доказательством тождественности методов на нелинейных уравнениях.
Практика
Задачи с решением
Зависимость от времени
Условие. Для y′ = 2t, y(0) = 1 сделайте один шаг h = 0,5.
Решение. k₁ = 0, прогноз равен 1. Конечный наклон k₂ = 2·0,5 = 1. Исправление: y₁ = 1+0,5·(0+1)/2 = 1,25. Оно совпадает с точным 1+t².
Ответ. y(0,5) = 1,25.
Затухающая модель
Условие. Для y′ = −2y, y₀ = 1 вычислите один шаг h = 0,25.
Решение. k₁ = −2, прогноз y* = 0,5. Тогда k₂ = −1. Итог y₁ = 1+0,25·(−2−1)/2 = 0,625; точное e⁻⁰·⁵ ≈ 0,606530660.
Ответ. y₁ = 0,625.
Дополнительные источники
- https://fncbook.com/rk/
- https://fncbook.com/euler/
- https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/Biographies/Runge/
Связанные формулы
Математика
Явный метод Эйлера: решение задачи Коши по шагам
Явный метод Эйлера приближённо решает уравнение y′ = f(t,y), продолжая решение по наклону в начале каждого шага. При гладком решении глобальная ошибка имеет первый порядок по шагу.
Математика
Неявный метод Эйлера: шаг и устойчивость затухания
Неявный метод Эйлера использует производную в конце шага. Новое значение входит в обе части равенства, поэтому каждый переход требует решения уравнения, зато схема хорошо подавляет быстро затухающие компоненты.
Математика
Явный метод средней точки для задачи Коши
Явный метод средней точки делает пробный полушаг по Эйлеру, оценивает производную в середине и использует её на полном шаге. Это двухстадийная схема Рунге — Кутты второго порядка.
Математика
Классический метод Рунге — Кутты четвёртого порядка
Классический RK4 вычисляет четыре наклона за шаг и объединяет их с весами 1:2:2:1. Для гладкой задачи Коши он даёт четвёртый порядок общей ошибки без явного вычисления высших производных.