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과학

후진 오일러 방법

후진 오일러 방법과학
영문명
Backward Euler method
분류
음시적 일단계 방법
평가 위치
다음 시점
전역 정확도
통상적인 조건에서 일차
후진 오일러 방법은 다음 시점의 기울기를 이용해 미분방정식의 다음 값을 구하는 수치 계산법이다. 다음 값이 식의 양쪽에 나타나는 음시적 방법이다. 시간 방향을 거꾸로 계산한다는 뜻이 아니라 구간 끝점에서 기울기를 평가한다는 뜻이다.

미지의 다음 값을 식에 넣는다

dy/dt = f(t,y)에서 시간 간격을 h라 하면 갱신식은 y[n+1] = y[n] + h f(t[n+1],y[n+1])이다. 다음 값이 아직 없으므로 이 관계를 만족하는 값을 풀어야 한다. 식의 형태에 따라 대수적으로 정리하거나 수치적 방정식 풀이가 필요하다.

감쇠 방정식의 계산 예

dy/dt = -4y라면 y[n+1] = y[n]-4h y[n+1]이므로 다음 값은 y[n]/(1+4h)다. 초기값 1, h = 0.5에서는 첫 값이 1/3, 두 번째가 1/9다. t = 1에서 정확한 값은 exp(-4), 약 0.01832이므로 근삿값 0.11111과 차이가 있다.

발산하지 않는 것과 정확한 것은 다르다

위 예에서는 모든 양의 h에 대해 배율이 0과 1 사이여서 계산값이 감소한다. 하지만 큰 간격에서는 실제 감소 속도를 정확하게 나타내지 못할 수 있다. 선형 시험 방정식에서의 넓은 안정 영역을 모든 비선형 문제의 무조건적인 정확성으로 해석하면 안 된다.

단계마다 푸는 비용

비선형 기울기에서는 각 단계에 뉴턴 방법 같은 반복 풀이를 사용할 수 있다. 반복이 충분히 수렴했는지와 시간 이산화 오차는 서로 다른 검사다. 전진 오일러 방법과 비교할 때도 단계 수뿐 아니라 단계별 계산량, 필요한 정확도와 안정 조건을 함께 본다.

관련 문서

전진 오일러 방법 / 미분방정식 / 미분 / 시정수 / 상태 공간 표현 / 영차 홀드 / 부동 소수점