- •Раздел 6.
- •Раздел 6. Модели и алгоритмы решения задач численными методами с использованием математических пакетов Рекомендации по использованию учебного пособия
- •Тема 6.1. Элементы теории погрешностей
- •6.1.1. Точные и приближенные числа
- •6.1.2. Абсолютная и относительная погрешность
- •Тема 6.2. Методы решения нелинейных уравнений
- •6.2.1. Постановка задачи
- •Отделение корней (локализация корней);
- •Итерационное уточнение корней.
- •6.2.2. Отделение корней
- •6.2.2.1. Графическое отделение корней
- •6.2.2.2. Аналитическое отделение корней
- •6.2.3. Уточнение корней
- •6.2.3.1. Метод половинного деления
- •6.2.3.2. Метод итерации
- •6.2.3.3. Метод Ньютона (метод касательных)
- •6.2.3.4. Метод хорд
- •6.2.3.5. Сравнение методов решения нелинейных уравнений
- •6.2.4. Технология решения нелинейных уравнений средствами MathCad
- •Тема 6.3. Интерполяция функций
- •6.3.1. Постановка задачи
- •6.3.2. Интерполяционная формула Лагранжа
- •6.3.3. Интерполяционные формулы Ньютона
- •6.3.3.1. Конечные разности
- •6.3.3.2. Первая интерполяционная формула Ньютона
- •6.3.3.3. Вторая интерполяционная формула Ньютона
- •6.3.4. Сплайн – интерполяция
- •6.3.5. Сравнение интерполяционных многочленов по применению
- •6.3.6. Технология интерполяции функций в среде математических пакетов
- •Тема 6.4. Численное интегрирование
- •6.4.1. Постановка задачи
- •6.4.2. Метод прямоугольников
- •6.4.3. Формула трапеций
- •6.4.4. Формула Симпсона
- •6.4.5. Оценка погрешности численного интегрирования
- •6.4.6. Технология вычисления интегралов в среде математических пакетов
- •Тема 6.5. Методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений
- •6.5.1. Постановка задачи
- •6.5.2. Метод Эйлера
- •6.5.3. Методы Рунге-Кутты
- •6.5.4. Решение оду n-го порядка
- •6.5.5. Сравнение методов решения оду
- •6.5.6. Технология решения обыкновенных дифференциальных уравнений средствами математических пакетов
- •6.6.2. Метод дихотомии
- •6.6.3. Метод золотого сечения
- •6.6.4. Сравнение методов
- •6.6.5. Технология решения задач одномерной оптимизации средствами математических пакетов
- •Тема 6.7. Аппроксимация функций
- •6.7.1. Постановка задачи аппроксимации
- •6.7.2. Метод наименьших квадратов
- •6.7.3. Технология решения задач аппроксимации функций средствами математических пакетов
- •Тема 6.8. Многомерная оптимизация
- •6.8.1. Постановка задачи и основные определения
- •6.8.2. Методы спуска
- •6.8.3. Метод градиентного спуска с дроблением шага
- •6.8.4. Метод наискорейшего спуска
- •6.8.5. Проблема оврагов. Метод покоординатного спуска
- •6.8.6. Технология решения задач многомерной оптимизации средствами математических пакетов
- •Список литературы
- •Тема 6.4. Численное интегрирование................................................71
- •Тема 6.5. Методы решения обыкновенных дифференциальных Уравнений............................................................................. 92
- •Тема 6.6. Одномерная оптимизация................................................ 115
- •Тема 6.7. Аппроксимация функций....................................................132
- •Тема 6.8. Методы многомерной оптимизации............................... 149
- •Список литературы.................................................................... 204
Тема 6.5. Методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений
6.5.1. Постановка задачи
6.5.2. Метод Эйлера
6.5.3.Методы Рунге-Кутты
6.5.4. Решение ОДУ n-го порядка
6.5.5. Сравнение методов решения ОДУ
6.5.6. Технология решения ОДУ средствами математических пакетов
6.5.1. Постановка задачи
Любое физическое явление, в котором рассматривается степень изменения одной переменной по отношению к другой переменной, математически описывается дифференциальным уравнением (ДУ). Из курса высшей математики известно множество аналитических методов, позволяющих найти их решения. Однако, в некоторых случаях, например, если функция или коэффициенты ДУ представляют собой таблицу экспериментально полученных данных, использование аналитических методов невозможно.
Рассмотрим ряд численных методов, позволяющих без проведения сложных математических вычислений найти с заданной точностью решения обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ).
Из курса математического анализа известно, что обыкновенным называется такое дифференциальное уравнение от одной переменной, которое содержит одну или несколько производных от искомой функции y(x). В общем виде ОДУ можно представить следующим образом:
(6.5.1-1)
где х – независимая переменная, а n – порядок ОДУ.
Численные методы позволяют решить только ОДУ 1-го порядка, поэтому в дальнейшем будем рассматривать только такие уравнения. Следует отметить, что ОДУ n-го порядка можно привести к системе из n уравнений 1-го порядка, и при решении системы применить те же методы.
Известно, что для ОДУ 1-го порядка справедливы следующие формы записи:
Вторая форма записи называется ОДУ, разрешенным относительно старшей производной.
Р ешением ОДУ первого порядка называется такая функция, которая при подстановке в уравнение обращает его в тождество. При этом различают общее и частное решения ОДУ.
Общее решение ОДУ содержит n произвольных постоянных С1, С2, . . .,Сn и имеет следующий вид:
Общее решение ОДУ первого порядка содержит одну произвольную постоянную y = j(x,C) и описывает множество функций, удовлетворяющих уравнению y¢ = f(x,y) (рис. 6.5.1-1).
Если произвольная постоянная принимает конкретное значение С=С0, то из общего решения ОДУ, в соответствии с теоремой Коши, получаем частное решение y = j(x,C0), поскольку через каждую точку (x0, y0) в области допустимых значений проходит только одна интегральная кривая.
Рис. 6.5.1-1
Теорема Коши для ОДУ 1-го порядка звучит так:
Если в ОДУ функция y¢ = f(x,y) и ее частная производная f¢ (x,y) определены и непрерывны в некоторой области G изменения переменных x и y, то для всякой внутренней точки (x0, y0) этой области данное уравнение имеет единственное решение.
Значения x0, y0 называются начальными условиями. Для ОДУ 2-го порядка, общее решение которого имеет две произвольные постоянные, в качестве начальных значений выступают x0, y0 = j(x0) и y0¢=φ¢ (x0).
При решении ОДУ точным решением является аналитическое выражение функции y = j(x), а результатом решения ОДУ численными методами является таблица значений y = j(x) на некотором множестве значений аргумента х. Поэтому при постановке задачи численного решения ОДУ наряду с начальными условиями x0, y0 необходимо задать область решения - отрезок [a;b] и шаг изменения аргумента h.
Таким образом, численное решение ОДУ представляет собой таблицу значений искомой функции для заданной последовательности аргументов, xi+1=xi+h, i=0, 1, …,n, где h = xi+1-xi называется шагом интегрирования.
Выделяют два класса методов решения ОДУ: одношаговые и многошаговые. В одношаговых методах для нахождения следующего значения функции требуется значение только одной текущей точки, то есть
а в многошаговых – нескольких, например
Начинать решение задачи Коши многошаговыми методами нельзя, поэтому начинают решение, используя всегда одношаговые методы.
Основная идея решения ОДУ одношаговыми методами сводится к разложению искомого решения y(x) в ряд Тейлора в окрестности текущей точки и его усечению. Число оставшихся членов ряда определяет порядок и, следовательно, точность метода.
Рассмотрим наиболее распространенные одношаговые численные методы решения ОДУ.