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과학

전진 오일러 방법

전진 오일러 방법과학
영문명
Forward Euler method
분류
명시적 일단계 방법
사용하는 기울기
현재 시점의 값
오차 차수
통상적인 조건에서 전역 일차
전진 오일러 방법은 현재 시점의 기울기를 이용해 미분방정식의 다음 값을 근사하는 수치 계산법이다. 초기값에서 출발해 정해진 시간 간격만큼 반복해서 나아간다. 계산식은 간단하지만 시간 간격에 따라 정확도와 수치적 안정성이 달라진다.

한 구간의 기울기를 고정한다

dy/dt = f(t,y)이고 시간 간격이 h라면 y의 다음 근삿값은 y + h f(t,y)다. 구간 시작점에서 계산한 기울기가 구간 전체에 유지된다고 보고 직선으로 이동한다. 곡선의 기울기가 구간 안에서 변하는 부분은 이 단계에서 반영하지 못한다.

직접 계산하는 두 단계

dy/dt = 2t, y(0) = 0을 h = 0.5로 계산하자. 첫 기울기는 0이므로 t = 0.5의 근삿값은 0이다. 다음 기울기는 1이므로 t = 1의 근삿값은 0.5다. 정확한 해 y = t²에서는 그 값이 1이다. 같은 구간을 h = 0.25로 네 번 계산하면 0.75가 된다.

원래 해가 감소해도 계산은 발산할 수 있다

dy/dt = -3y에 적용하면 매 단계 값이 1-3h배가 된다. h = 1이면 배율이 -2여서 부호가 바뀌며 크기가 커진다. 원래 해는 초기값에 exp(-3t)를 곱한 감소 함수다. 이 예에서 수치값이 0으로 수렴하려면 0 < h < 2/3이어야 한다.

안정성과 정확도를 나눠 본다

수치값이 폭주하지 않는다고 정확한 것은 아니다. 충분한 매끄러움 등 수렴 조건 아래에서 고정된 시간 구간의 전역 오차는 보통 h에 비례한다. 간격을 줄인 계산과 비교하되 반올림 오차와 계산량도 고려한다. 다른 미분방정식에 위 안정 간격을 그대로 적용하지 않는다.

관련 문서

미분 / 미분방정식 / 영차 홀드 / 상태 공간 표현 / 시정수 / 부동 소수점