Computação evolutiva na resolução de equações diferenciais ordinárias não lineares no espaço de Hilbert [thesis]

José Osvaldo de Souza Guimarães
A tese apresenta um método para a solução dos problemas do valor inicial (PVIs) com margens de erro comparáveis às de métodos numéricos consagrados (MN), tanto para a função quanto para suas derivadas. O método é aplicável a equações diferenciais (EDs) lineares ou não, sendo o ferramental desenvolvido até a quarta ordem, que pode ser expandido para ordens superiores. A solução é uma expressão polinomial de alto grau com coeficientes expressos pela razão entre dois inteiros. O método se mostra
more » ... método se mostra eficaz mesmo em alguns casos em que os MN não conseguiram "dar a partida". As resoluções são obtidas considerando que o espaço de soluções é um espaço de Hilbert, equipado com a base completa dos polinômios de Legendre. Em decorrência do método aqui desenvolvido, os majorantes de erros para a função e derivadas são determinados analiticamente por um cálculo matricial também deduzido nesta tese. Paralelamente a toda fundamentação analítica, foi desenvolvido o software SAM, que automatiza todas as tarefas na busca de soluções dos PVIs. A tese propõe e verifica a validade de um novo critério de erro no qual pesam tanto os erros locais quanto os erros globais, simultaneamente. Como subprodutos dos resultados já descritos, igualmente integrados ao SAM, obtiveram-se também: (1) Um critério objetivo para analisar a qualidade de um MN, sem necessidade do conhecimento de seu algoritmo; (2) Uma ferramenta para aproximações polinomiais de alta precisão para funções de quadrado integrável em determinado intervalo limitado, com um majorante de erro; (3) Um ferramental analítico para transposição genérica (linear ou não) dos PVIs até 4ª ordem, nas mudanças de domínio; (4) As matrizes de integração e diferenciação genéricas para todas as bases polinomiais do espaço de Hilbert. Palavras-chave: Equações Diferenciais, Computação Evolutiva, Polinômios de Legendre, Matrizes Operacionais de Integração e Diferenciação, Problema do Valor Inicial. ABSTRACT GUIMARÃES, J. O. S. Computação evolutiva na resolução de equações diferenciais ordinárias não lineares no espaço de Hilbert. 2009. 209 p. Tese (Doutorado) -Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2009. This thesis shows a new method to get polynomial solutions to the initial value problems (IVP), with an error margin comparable to the consecrate numerical methods (NM), for both the function and its derivatives. The method works with differential equations (DEs) linear or not, beeing the developed tolls available until 4 th order, whose can be expanded to higher orders. The solution is a polynomial high degree expression with coefficients expressed by the ratio between two integers. The method behaves efficiently even in some cases that NM cannot get started. The resolutions are gotten considering that, the solution space is a Hilbert space, equipped with a complete set basis of Legendre Polynomials. Due the method here developed, the error's majoratives for the function and its derivatives are found analytically by a matrix calculus, also derived in this thesis. Beside all analytical foundation, a software (SAM) was developed to automate the whole process, joining all the tasks involved in the search for solutions to the IVP. This thesis proposes, verifies and validates a new error criterion, which takes in account simultaneously the local and global errors. As sub-products of the results described before, also integrated to the SAM, the following achievements should be highlighted: (1) An objective criterion to analyze the quality of any NM, despite of the knowledge of its algorithm; (2) A tool for a polynomial approximation, of high precision, for functions whose square is integrable in a given limited domain, with an error's majorative; (3) A tool-kit for a generically transpose (linear or not) of the IVPs' domain and form, taking into account its derivatives, until the 4th order; (4) The generic matrices for integration and differentiation for all the polynomial basis of the Hilbert space.
doi:10.11606/t.3.2009.tde-29062009-154349 fatcat:frujzdvgvnffnjoy45mjrsstqm