Em um
outro estudo comparativo realizado entre
os métodos de Euler, Euler Expandido e
Euler Modificado, analisou-se os erros
encontrados entre a solução numérica
fornecida pelos métodos e a solução
exata, isto é, a diferença entre uma e
outra. Sabe-se que o método de Euler
Expandido surgiu como solução para
amenizar o erro de truncamento, enquanto
que o Euler Modificado de forma a
diminuir os erros de propagação.
A análise
baseou-se na resolução de um dado PVI,
em um intervalo de interesse.
Procurou-se resolver este problema
utilizando os três métodos para um
vasto número de iterações. Deste
intervalo escolheu-se um ponto
arbitrário de onde a comparação entre
o valor exato e o valor numérico
fornece o erro cometido pela adoção do
método em questão.
O PVI
escolhido foi o de número 2, onde o
valor inicial fornecido foi y(0)=1, e
o ponto no qual se calculou o erro foi
para x=2. O resultado pode ser visto
no gráfico (15). Note que o PVI1 não
poderia ser utilizado pois a própria
solução analítica do problema não
fornece valores exatos devido ao erro
de arredondamento causado pelo termo
exponencial (salvo o ponto x=0).
Observando
o gráfico (15) observa-se que os erros
cometidos pela aplicação do método de
Euler Normal são sempre superiores aos
erros cometidos pelos métodos de Euler
Expandido e Modificado. Somente para
um número de iterações muito grande,
onde os erros de arredondamento são
dominantes, os valores entre os erro
dos três métodos se igualam. Isto
prova que as alterações feitas no
método de Euler foram absolutamente
válidas.
Comparando
as curvas de Erro versus n para os
métodos de Euler Expandido e Euler
Modificado verifica-se que os erros
cometidos pela adoção destes métodos
são basicamente os mesmos, com
pequenas variações. Isto significa que
poderia se utilizar quaisquer um dos
dois métodos para se obter
aproximações para a solução exata do
PVI. Com esta última afirmativa
quer-se chamar a atenção que se os
dois métodos - Expandido e Modificado
- apresentam a mesma precisão , o
método de Euler Modificado se
sobressai em relação ao Expandido.
Isto porque este último faz uso de
derivação de segunda ordem em termos
de x e y do PVI fornecido, o que
constitui um trabalho desnecessário.
Se o método de Euler Modificado
fornece uma precisão equivalente ao
método de Euler Expandido, porém sem o
inconveniente de se calcularem
derivadas, o seu uso é muito mais
vantajoso.
Gráfico
15. Desvios entre a solução numérica
encontrada pelos métodos e a solução
exata do PVI2 (y' = -2xy/(1+x2)),
y(0)=1) no ponto x=2, para
diferentes números de iterações (2n).
Se for
analisado minuciosamente o gráfico
(15), verificará que para n menores
que 12, o erros cometido, no caso
deste PVI em particular, pelo Euler
Expandido é um pouquíssimo inferior ao
do Modificado, enquanto que a partir
deste ponto (n=12) , o contrário
ocorre. Isto pode ser explicado pelo
fato de que para valores menores de
tamanho de passo o erro de truncamento
vai ficando cada vez menos
significativo, sendo as outras formas
de erros mais representativos no valor
da solução numérica encontrada.
As
variações ocorridas por exemplo nos
pontos de n igual a 12, 17, 18... são
decorrentes de arredondamentos feitos
pelo próprio computador no valor da
solução aproximada, que para esta
faixa de erro (10-7)
qualquer arredondamento causa uma
grande perturbação no erro cometido.
Pelo
gráfico (15) ainda pode-se verificar
que o menor erro possível, isto é, o
valor mais aproximado que se consegue
da solução exata do PVI1 para o ponto
x=2 seria obtido na aplicação do
método de Euler Modificado para um
número de iterações da ordem de 218
. O comportamento ascendente do erro
nos três métodos depois de um certo
número de iterações deve-se ao fato de
que malhas(número de subintervalos que
será dividido o intervalo de
interesse) com um número de pontos
muito elevado tendem a aumentar o erro
acumulado.
Gráfico
16. Desvios entre a solução numérica
encontrada pelo método de Euler
Normal e a solução exata do PVI2 (y'
= -2xy/(1+x2)), y(0)=1)
no ponto x=2 em simples e dupla
precisão das variáveis, para
diferentes números de iterações (2n).
No gráfico
(16) ilustra-se o erro cometido pelo
método de Euler Normal quando as
variáveis calculadas estão em simples
precisão (números com 8 dígitos
significativos) e dupla precisão
(números com 16 dígitos
significativos). O que se percebe é
que os erros de arredondamentos, que
causam um acréscimo no erro entre a
solução numérica e o valor da solução
analítica a partir de um certo número
de iterações para números com simples
precisão, aparecem ou afetam a
precisão do valor aproximado da
solução exata em um número de
iterações muito maior quando os
números estão com dupla precisão. No
gráfico, o número de iterações passou
de 230, e o erro de
arredondamento ainda não se fez
presente aumentando o valor do
erro(parte ascendente). O
comportamento gráfico da dupla
precisão aplicado para os dois outros
métodos é o mesmo.
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