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Numerical Methods Course Notes Version 0.1 (UCSD Math 174, Fall ...

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iv<br />

CONTENTS<br />

3.4.6 Gauss Seidel Iteration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40<br />

3.4.7 Error Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40<br />

3.4.8 A Free Lunch? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42<br />

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44<br />

4 Finding Roots 47<br />

4.1 Bisection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47<br />

4.1.1 Modifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47<br />

4.1.2 Convergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48<br />

4.2 Newton’s Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48<br />

4.2.1 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49<br />

4.2.2 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51<br />

4.2.3 Convergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51<br />

4.2.4 Using Newton’s Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52<br />

4.3 Secant Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53<br />

4.3.1 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55<br />

4.3.2 Convergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56<br />

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58<br />

5 Interpolation 61<br />

5.1 Polynomial Interpolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61<br />

5.1.1 Lagranges Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61<br />

5.1.2 Newton’s Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62<br />

5.1.3 Newton’s Nested Form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64<br />

5.1.4 Divided Differences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65<br />

5.2 Errors in Polynomial Interpolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67<br />

5.2.1 Interpolation Error Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67<br />

5.2.2 Interpolation Error for Equally Spaced Nodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71<br />

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73<br />

6 Spline Interpolation 77<br />

6.1 First and Second Degree Splines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77<br />

6.1.1 First Degree Spline Accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78<br />

6.1.2 Second Degree Splines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79<br />

6.1.3 Computing Second Degree Splines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80<br />

6.2 (Natural) Cubic Splines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80<br />

6.2.1 Why Natural Cubic Splines? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81<br />

6.2.2 Computing Cubic Splines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82<br />

6.3 B Splines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82<br />

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85<br />

7 Approximating Derivatives 87<br />

7.1 Finite Differences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87<br />

7.1.1 Approximating the Second Derivative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89<br />

7.2 Richardson Extrapolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89<br />

7.2.1 Abstracting Richardson’s Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90<br />

7.2.2 Using Richardson Extrapolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91<br />

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

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