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Truncation error (numerical integration)

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2911: 1795: 3433:
is needed to explain the relation between local and global truncation errors. Linear multistep methods that satisfy the condition of zero-stability have the same relation between local and global errors as one-step methods. In other words, if a linear multistep method is zero-stable and consistent,
2550: 3320: 1499: 2463: 2073: 3093: 2906:{\displaystyle {\begin{aligned}&y_{n+s}+a_{s-1}y_{n+s-1}+a_{s-2}y_{n+s-2}+\cdots +a_{0}y_{n}\\&\qquad {}=h{\bigl (}b_{s}f(t_{n+s},y_{n+s})+b_{s-1}f(t_{n+s-1},y_{n+s-1})+\cdots +b_{0}f(t_{n},y_{n}){\bigr )},\end{aligned}}} 979: 151: 2323: 825: 1881:
Sometimes it is possible to calculate an upper bound on the global truncation error, if we already know the local truncation error. This requires our increment function be sufficiently well-behaved.
365: 509: 2555: 1504: 1871: 609: 1107: 3429:
The relation between local and global truncation errors is slightly different from in the simpler setting of one-step methods. For linear multistep methods, an additional concept called
276: 3112: 1790:{\displaystyle {\begin{aligned}e_{n}&=y(t_{n})-y_{n}\\&=y(t_{n})-{\Big (}y_{0}+hA(t_{0},y_{0},h,f)+hA(t_{1},y_{1},h,f)+\cdots +hA(t_{n-1},y_{n-1},h,f){\Big )}.\end{aligned}}} 1392: 3487: 3424: 1225: 1041: 2334: 3536: 3365: 3653: 1890: 1293: 697: 647: 217: 2922: 1418: 1133: 2174: 2147: 1491: 1464: 395: 181: 1015: 2530: 2510: 2486: 2120: 2100: 1333: 1313: 1250: 1157: 1061: 717: 667: 532: 3846: 3557: 1804:
if global truncation error goes to zero as the step size goes to zero; in other words, the numerical solution converges to the exact solution:
833: 3787: 2488:
in the differential equation is continuous in the first argument and Lipschitz continuous in the second argument (the condition from the
2182: 54: 2512:
is continuous in all arguments and Lipschitz continuous in the second argument, then the global error tends to zero as the step size
722: 2489: 3810: 284: 403: 1807: 541: 3802: 3779: 1066: 3315:{\displaystyle \tau _{n}=y(t_{n+s})+\sum _{k=0}^{s-1}a_{k}y(t_{n+k})-h\sum _{k=0}^{s}b_{k}f(t_{n+k},y(t_{n+k})).} 3581:
Gupta, G. K.; Sacks-Davis, R.; Tischer, P. E. (March 1985). "A review of recent developments in solving ODEs".
669:, causes during a single iteration, assuming perfect knowledge of the true solution at the previous iteration. 222: 1338: 2541: 719:
is computed from the difference between the left- and the right-hand side of the equation for the increment
3590: 3437: 3374: 2458:{\displaystyle |e_{n}|\leq {\frac {\max _{j}\tau _{j}}{hL}}\left(\mathrm {e} ^{L(t_{n}-t_{0})}-1\right).} 3826: 3552: 23: 1162: 1020: 3102:
iterates. Thus, in the definition for the local truncation error, it is now assumed that the previous
1436:
over all of the iterations, assuming perfect knowledge of the true solution at the initial time step.
2079: 3492: 3328: 2068:{\displaystyle e_{n+1}=e_{n}+h{\Big (}A(t_{n},y(t_{n}),h,f)-A(t_{n},y_{n},h,f){\Big )}+\tau _{n+1}.} 1253:
if for any sufficiently smooth solution of the initial value problem, the local truncation error is
3595: 3623: 1256: 3088:{\displaystyle y_{n+s}=-\sum _{k=0}^{s-1}a_{k}y_{n+k}+h\sum _{k=0}^{s}b_{k}f(t_{n+k},y_{n+k}).} 675: 625: 3806: 3783: 3547: 1136: 186: 3600: 3562: 1397: 1112: 2152: 2125: 1469: 1442: 373: 159: 991: 2078:
This follows immediately from the definitions. Now assume that the increment function is
2532:
approaches zero (in other words, the numerical method converges to the exact solution).
3831: 3434:
then it converges. And if a linear multistep method is zero-stable and has local error
3430: 2515: 2495: 2471: 2105: 2085: 1318: 1298: 1235: 1142: 1046: 702: 652: 517: 3840: 3771: 3743:, p. 337, uses a different definition, dividing this by essentially by 2468:
It follows from the above bound for the global error that if the function
2916:
Thus, the next value for the numerical solution is computed according to
974:{\displaystyle \tau _{n}=y(t_{n})-y(t_{n-1})-hA(t_{n-1},y(t_{n-1}),h,f).} 3604: 3098:
The next iterate of a linear multistep method depends on the previous
3426:. The definition of the global truncation error is also unchanged. 2318:{\displaystyle |A(t,y_{1},h,f)-A(t,y_{2},h,f)|\leq L|y_{1}-y_{2}|.} 3776:
A First Course in the Numerical Analysis of Differential Equations
146:{\displaystyle y'=f(t,y),\qquad y(t_{0})=y_{0},\qquad t\geq t_{0}} 1884:
The global truncation error satisfies the recurrence relation:
1159:
is continuous, then the method is consistent if, and only if,
278:. For simplicity, assume the time steps are equally spaced: 820:{\displaystyle y_{n}\approx y_{n-1}+hA(t_{n-1},y_{n-1},h,f)} 2082:
in the second argument, that is, there exists a constant
1877:
Relationship between local and global truncation errors
360:{\displaystyle h=t_{n}-t_{n-1},\qquad n=1,2,\ldots ,N.} 504:{\displaystyle y_{n}=y_{n-1}+hA(t_{n-1},y_{n-1},h,f).} 3626: 3495: 3440: 3377: 3331: 3115: 2925: 2553: 2518: 2498: 2474: 2337: 2185: 2155: 2128: 2108: 2088: 1893: 1810: 1502: 1472: 1445: 1400: 1341: 1321: 1301: 1259: 1238: 1165: 1145: 1115: 1069: 1049: 1023: 994: 836: 725: 705: 678: 655: 628: 544: 538:, and can be interpreted as an estimate of the slope 520: 406: 376: 287: 225: 189: 162: 57: 48:Suppose we have a continuous differential equation 3827:Notes on truncation errors and Runge-Kutta methods 3647: 3530: 3481: 3418: 3359: 3314: 3087: 2905: 2524: 2504: 2480: 2457: 2317: 2168: 2141: 2114: 2094: 2067: 1865: 1789: 1485: 1458: 1412: 1386: 1327: 1307: 1287: 1244: 1230:Furthermore, we say that the numerical method has 1219: 1151: 1127: 1101: 1055: 1035: 1009: 973: 819: 711: 691: 661: 641: 603: 526: 503: 389: 359: 270: 211: 175: 145: 2038: 1931: 1775: 1590: 39:– the cumulative error caused by many iterations. 2365: 1866:{\displaystyle \lim _{h\to 0}\max _{n}|e_{n}|=0} 1828: 1812: 604:{\displaystyle {\frac {y(t_{n})-y(t_{n-1})}{h}}} 3106:iterates all correspond to the exact solution: 2891: 2704: 8: 1439:More formally, the global truncation error, 1102:{\displaystyle |\tau _{n}|<\varepsilon h} 672:More formally, the local truncation error, 3755: 3740: 3728: 3716: 3692: 3680: 3664: 3617: 2328:Then the global error satisfies the bound 649:is the error that our increment function, 3637: 3631: 3625: 3594: 3558:Numerical ordinary differential equations 3519: 3500: 3494: 3464: 3445: 3439: 3401: 3382: 3376: 3336: 3330: 3291: 3266: 3250: 3240: 3229: 3204: 3188: 3172: 3161: 3139: 3120: 3114: 3067: 3048: 3032: 3022: 3011: 2989: 2979: 2963: 2952: 2930: 2924: 2890: 2889: 2880: 2867: 2851: 2817: 2792: 2770: 2748: 2729: 2713: 2703: 2702: 2694: 2680: 2670: 2639: 2623: 2598: 2582: 2563: 2554: 2552: 2517: 2497: 2473: 2430: 2417: 2406: 2401: 2378: 2368: 2361: 2353: 2347: 2338: 2336: 2307: 2301: 2288: 2279: 2268: 2247: 2207: 2186: 2184: 2160: 2154: 2133: 2127: 2107: 2087: 2050: 2037: 2036: 2015: 2002: 1965: 1946: 1930: 1929: 1917: 1898: 1892: 1852: 1846: 1837: 1831: 1815: 1809: 1774: 1773: 1746: 1727: 1684: 1671: 1634: 1621: 1599: 1589: 1588: 1576: 1550: 1534: 1511: 1503: 1501: 1477: 1471: 1450: 1444: 1399: 1372: 1357: 1351: 1342: 1340: 1320: 1300: 1270: 1258: 1237: 1164: 1144: 1114: 1085: 1079: 1070: 1068: 1048: 1022: 993: 938: 913: 882: 860: 841: 835: 790: 771: 743: 730: 724: 704: 683: 677: 654: 633: 627: 580: 558: 545: 543: 519: 471: 452: 424: 411: 405: 381: 375: 311: 298: 286: 271:{\displaystyle t_{1},t_{2},\ldots ,t_{N}} 262: 243: 230: 224: 200: 188: 167: 161: 137: 117: 101: 56: 156:and we wish to compute an approximation 33:– the error caused by one iteration, and 3704: 3676: 3573: 1387:{\displaystyle |\tau _{n}|<Ch^{p+1}} 16:Errors arising in numerical integration 3799:An Introduction to Numerical Analysis 2536:Extension to linear multistep methods 7: 3482:{\displaystyle \tau _{n}=O(h^{p+1})} 3419:{\displaystyle \tau _{n}=O(h^{p+1})} 1295:(meaning that there exist constants 3797:Süli, Endre; Mayers, David (2003), 3325:Again, the method is consistent if 397:with a one-step method of the form 3847:Numerical integration (quadrature) 3832:Truncation error of Euler's method 3489:, then its global error satisfies 2402: 14: 1220:{\displaystyle A(t,y,0,f)=f(t,y)} 1036:{\displaystyle \varepsilon >0} 988:if the local truncation error is 370:Suppose we compute the sequence 2693: 326: 126: 90: 3531:{\displaystyle e_{n}=O(h^{p})} 3525: 3512: 3476: 3457: 3413: 3394: 3360:{\displaystyle \tau _{n}=o(h)} 3354: 3348: 3306: 3303: 3284: 3259: 3216: 3197: 3151: 3132: 3079: 3041: 2886: 2860: 2835: 2785: 2760: 2722: 2492:), and the increment function 2436: 2410: 2354: 2339: 2308: 2280: 2269: 2265: 2234: 2225: 2194: 2187: 2033: 1995: 1986: 1971: 1958: 1939: 1853: 1838: 1819: 1770: 1720: 1702: 1664: 1652: 1614: 1582: 1569: 1540: 1527: 1358: 1343: 1282: 1263: 1214: 1202: 1193: 1169: 1086: 1071: 1004: 998: 965: 950: 931: 906: 894: 875: 866: 853: 814: 764: 592: 573: 564: 551: 495: 445: 206: 193: 107: 94: 84: 72: 1: 1139:). If the increment function 3648:{\displaystyle \tau _{n}/h} 1432:is the accumulation of the 1017:(this means that for every 3863: 3803:Cambridge University Press 3780:Cambridge University Press 1288:{\displaystyle O(h^{p+1})} 692:{\displaystyle \tau _{n}} 642:{\displaystyle \tau _{n}} 3667:, pp. 321 & 322 1800:The numerical method is 984:The numerical method is 212:{\displaystyle y(t_{n})} 37:global truncation errors 2544:, given by the formula 2542:linear multistep method 2490:Picard–Lindelöf theorem 1430:global truncation error 1424:Global truncation error 219:at discrete time steps 31:local truncation errors 3756:Süli & Mayers 2003 3741:Süli & Mayers 2003 3729:Süli & Mayers 2003 3717:Süli & Mayers 2003 3693:Süli & Mayers 2003 3681:Süli & Mayers 2003 3665:Süli & Mayers 2003 3649: 3618:Süli & Mayers 2003 3532: 3483: 3420: 3361: 3316: 3245: 3183: 3089: 3027: 2974: 2907: 2526: 2506: 2482: 2459: 2319: 2170: 2143: 2116: 2096: 2069: 1867: 1791: 1487: 1460: 1434:local truncation error 1414: 1413:{\displaystyle h<H} 1388: 1329: 1309: 1289: 1246: 1221: 1153: 1129: 1128:{\displaystyle h<H} 1103: 1057: 1037: 1011: 975: 821: 713: 693: 663: 643: 621:local truncation error 615:Local truncation error 605: 528: 505: 391: 361: 272: 213: 177: 147: 3655:the truncation error. 3650: 3620:, p. 317, calls 3553:Numerical integration 3533: 3484: 3421: 3362: 3317: 3225: 3157: 3090: 3007: 2948: 2908: 2527: 2507: 2483: 2460: 2320: 2171: 2169:{\displaystyle y_{2}} 2144: 2142:{\displaystyle y_{1}} 2117: 2097: 2070: 1868: 1792: 1488: 1486:{\displaystyle t_{n}} 1461: 1459:{\displaystyle e_{n}} 1415: 1389: 1330: 1310: 1290: 1247: 1222: 1154: 1130: 1104: 1058: 1038: 1012: 976: 822: 714: 694: 664: 644: 606: 529: 506: 392: 390:{\displaystyle y_{n}} 362: 273: 214: 183:of the true solution 178: 176:{\displaystyle y_{n}} 148: 24:numerical integration 3624: 3493: 3438: 3375: 3329: 3113: 2923: 2551: 2516: 2496: 2472: 2335: 2183: 2153: 2126: 2106: 2086: 2080:Lipschitz continuous 1891: 1808: 1500: 1470: 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599: 527:{\displaystyle A} 20:Truncation errors 3854: 3815: 3792: 3759: 3753: 3747: 3738: 3732: 3726: 3720: 3714: 3708: 3702: 3696: 3690: 3684: 3674: 3668: 3662: 3656: 3654: 3652: 3651: 3646: 3641: 3636: 3635: 3615: 3609: 3608: 3598: 3578: 3563:Truncation error 3537: 3535: 3534: 3529: 3524: 3523: 3505: 3504: 3488: 3486: 3485: 3480: 3475: 3474: 3450: 3449: 3425: 3423: 3422: 3417: 3412: 3411: 3387: 3386: 3366: 3364: 3363: 3358: 3341: 3340: 3321: 3319: 3318: 3313: 3302: 3301: 3277: 3276: 3255: 3254: 3244: 3239: 3215: 3214: 3193: 3192: 3182: 3171: 3150: 3149: 3125: 3124: 3094: 3092: 3091: 3086: 3078: 3077: 3059: 3058: 3037: 3036: 3026: 3021: 3000: 2999: 2984: 2983: 2973: 2962: 2941: 2940: 2912: 2910: 2909: 2904: 2902: 2895: 2894: 2885: 2884: 2872: 2871: 2856: 2855: 2834: 2833: 2809: 2808: 2781: 2780: 2759: 2758: 2740: 2739: 2718: 2717: 2708: 2707: 2695: 2689: 2685: 2684: 2675: 2674: 2656: 2655: 2634: 2633: 2615: 2614: 2593: 2592: 2574: 2573: 2557: 2531: 2529: 2528: 2523: 2511: 2509: 2508: 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Index

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little-o notation
Lipschitz continuous
Picard–Lindelöf theorem
linear multistep method
zero-stability
Order of accuracy
Numerical integration
Numerical ordinary differential equations
Truncation error
CiteSeerX
10.1.1.85.783
doi
10.1145/4078.4079
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Iserles, Arieh
Cambridge University Press
ISBN
978-0-521-55655-2
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