高等数学的基础知识
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在解组件特性相关的方程式时,大多数的时候都要去解偏微分或积分式,才能求得其正确的解。依照求解方法的不同,可以分成以下两类:解析解和数值解。
解析解(analytical solution)就是一些严格的公式,给出任意的自变量就可以求出其因变量,也就是问题的解, 他人可以利用这些公式计算各自的问题. 所谓的解析解是一种包含分式、三角函数、指数、对数甚至无限级数等基本函数的解的形式。用来求得解析解的方法称为解析法〈analytic techniques、analytic methods〉,解析法即是常见的微积分技巧,例如分离变量法等。解析解为一封闭形式〈closed-form〉的函数,因此对任一独立变量,我们皆可将其带入解析函数求得正确的相依变量。因此,解析解也被称为闭式解(closed-form solution)
数值解(numerical solution)是采用某种计算方法,如有限元的方法, 数值逼近,插值的方法, 得到的解.别人只能利用数值计算的结果, 而不能随意给出自变量并求出计算值. 当无法藉由微积分技巧求得解析解时,这时便只能利用数值分析的方式来求得其数值解了。数值方法变成了求解过程重要的媒介。在数值分析的过程中,首先会将原方程式加以简化,以利后来的数值分析。例如,会先将微分符号改为差分符号等。然后再用传统的代数方法将原方程式改写成另一方便求解的形式。这时的求解步骤就是将一独立变量带入,求得相依变量的近似解。因此利用此方法所求得的相依变量为一个个分离的数值〈discrete values〉,不似解析解为一连续的分布,而且因为经过上述简化的动作,所以可以想见正确性将不如解析法来的好。
解析解一般可以理解为通过已经有的方法,是对应的问题在这个解决域上,进行变换演绎得到解的一种结果,变换过程也会有增根或漏根。 数值解是将问题化解为比较多的子域,然后用比较简单的已知函数来逼近需求函数的相关问题。 解析法要求基本功比较强,对概念理解非常有利,仅适合简单形式问题;数值解比较简单,要求运算量大,适合工程实际中的复杂问题。
解析解是解的形式可以表达为一个显式函数的表达式的解;而数值解其解的形式不能表达为显式函数,只能通过数值计算的方式求解,得到的是一系列离散的数值,不能表达为一个明确的函数的形式。对于大多数问题是得不到解析解的,只能得到数值解。能得到解析解的只是一小部分问题,而且通常有比较严格的限制条件。解析解能够很直观的体现各参数之间的关系,对于定性分析是很重要的。对于得不到解析解的问题,进行数值计算得到数值解,对于工程应用很重要。 |