Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Documents / lecture_13

.pdf
Скачиваний:
31
Добавлен:
07.01.2014
Размер:
146.52 Кб
Скачать

(С) ИиКМ РХТУ сентябрь 2003г. Калинкин Владимир Николаевич

 

1

Численные методы решения дифференциальных уравнений и их систем.

Общий вид обыкновенного дифференциального уравнения, устанавливающего связь между

 

 

′ ′′

(n)

, может мыть

независимой переменной x , неизвестной функцией y и ее производными y , y ,....., y

 

представлен следующим образом:

 

 

 

 

′ ′′

(n)

) = 0

 

 

F (x, y, y , y ,.....y

 

 

 

Порядок наивысшей производной, входящей в уравнение, называется порядком этого уравнения. Решение дифференциального уравнения (интегрированием) является некоторая функциональная зависимость y = y(x) , которая при подстановке в уравнение обращает его в тождество.

Общее решение дифференциального уравнения записывается в виде y = y(x,c1,c2 ,.....,cn )

где c1,c2 ,...,cn - произвольные постоянные.

Решение, полученное из общего решения при фиксированных значениях c1,c2 ,...,cn , называется частным решением уравнения. Постоянные c1,c2 ,...,cn можно определить, задав n условий. Если эти условия

заданы как совокупность значений искомой функции и всех ее производных до (n-1)ого порядка включительно в некоторой течке x0 , то задача решения уравнения называется задачей Коши, а заданные

условия y(x0 ) = y0

y(x0 ) = y0y′′(x0 ) = y0′′

M

y(n1) (x0 ) = y0(n1)

называются начальными условия.

Если же условия заданы при нескольких значениях x , то задача решения дифференциального уравнения будет называться граничной или краевой задачей.

Рассмотрим дифференциальное уравнение первого порядка:

F (x, y, y) = 0

соотношение часто удается записать в виде y′= f (x, y)

Последнее уравнение называется дифференциальным уравнением, разрешенным относительно производной. Значение производной равно тангенсу угла наклона касательной к графику функции в точке (x, y) . Функцию f (x, y) будем называть правой частью дифференциального уравнения.

Общим решением уравнения будет являться семейство функций y = y(x, c1 ) различающихся значение постоянной c1 . Задаем одно начальное условие y(x0 ) = y0 , которое определяет значение c1 и конкретное частное решение – задача Коши.

Для простейшего дифференциального уравнения y′=3 x2 . Общее решение имеет вид y = x3 +c , а при начальном условии x0 =1, y0 = 2 c =1 определим частное решение как y = x3 +1

Метод Эйлера

Дано дифференциальное уравнение y′= f (x, y) , удовлетворяющее начальному условию y(x0 ) = y0 . Требуется найти решение на отрезке [a,b]. Разобьем отрезок интегрирования на n равных частей. Тогда

величина шага интегрирования будет равна h = b n a . Значение функции y1 в точке x1 можно

определить как точку пересечения касательной проведенной к функции y = y(x) в точке (x0 , y0 ) с вертикальной прямой проходящей через точку x1 .

Показать на графике

Тангенс угла наклона касательной есть значение производной в точке (x0 , y0 ) и задается правой частью дифференциального уравнения, т.е.

(С) ИиКМ РХТУ сентябрь 2003г. Калинкин Владимир Николаевич

 

 

 

2

tg(β) = f (x0 , y0 ) . С другой стороны из геометрического представления метода можно записать

tg(β) =

y1 y0

 

=

 

y1 y0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

0

 

 

 

y1 y0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следовательно

 

 

 

= f (x , y ) Откуда

y1

= y0

+h f (x0 , y0 ) Затем

y2

= y1

+h f (x1, y1)

и т.д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h

0

0

x1

= x0

+h

x2

= x1

+h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение будет заключаться в последовательном применении формул:

yi == yi 1 ++h f (xi 1, yi 1 ) , где i = 1, 2, 3, …, n xi xi 1 h

Результат будет представлен функцией заданной таблицей. Пример

y′= −

y

; a =1;

b = 2;

n = 2;

h = 0.5 x0 =1; y0

= −2; y =

C

C = −2

x

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y1

= -2+0.5*(-(-2/1)) = -1

x1 = 1+0.5 =1.5

 

 

 

y2

= -1+0.5*(-(-1/1.5)) = --0.666

x1 = 1.5+0.5 =2

 

 

 

 

 

 

X

Y(Эйлер)

Y(теор)

 

 

 

 

 

 

1

-2

 

 

-2

 

 

 

 

 

 

1.5

-1

 

-1.33333

 

 

 

 

 

 

2

-0.66667

 

-1

 

 

 

Модифицированный метод Эйлера Графическая интерпретация.

Определяем точку x12 = x0 + h2 и вычисляем значение функции в этой точке y12 = y0 + h2 f (x0 , y0 )

Значение функции y1

в точке x1

определяем, как точку пересечения касательной, вычисленной в точке

(x1

, y

1

2

)

и проведенной к функции y = y(x)

в точке (x0 , y0 ) , с вертикальной прямой проходящей через

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

точку x1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ h

 

 

 

 

+ h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

= y

 

 

+ h f (x

12

, y

 

)

 

или

y = y

 

+h f (x

, y

 

 

f

(x , y

))

 

 

 

1

 

 

0

 

 

 

 

12

 

 

 

1

 

0

 

 

0

2

 

 

0

2

 

0

0

 

 

 

 

 

x1 = x0 + h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

произвольную точку определим

 

 

 

 

 

 

 

 

h

 

 

 

 

h

 

 

 

 

 

 

 

 

y

= y

 

 

 

+h f (x

 

 

, y

 

)

или

y

 

+h f (x

+

, y

+

f (x

, y

))

, где i = 1, 2, 3, …, n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

i

1

 

 

i

1/ 2

 

i 1/ 2

 

 

 

i 1

 

 

i 1

 

2

 

i 1

 

2

 

 

 

i 1

i 1

 

xi

= xi 1 +h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y′= −

y

;

a =1;

b = 2;

 

n = 2;

h = 0.5

x0 =1;

 

y0

= −2;

 

y =

 

C

 

C = −2 -2

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y1/2 = -2+0.25*(-(-2/1)) = -1.5; x1/2 = 1+0.25 = 1.25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y1 = -2+0.5*(-(-1.5/1.25)) = -1.4;

x1 = 1+0.5 = 1.5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y3/2 = -1.4 +0.25*(-(-1.4/1.5)) = -1.1667;

x3/2 = 1.5+0.25 = 1.75

 

 

 

 

 

 

 

y2 = -1.4 +0.5*(-(-1.1667/1.75)) = -1.0667;

y2 = 1.5+0.5 = 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

Y(мод.)

 

Y(теор)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

-2

 

 

 

 

-2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.5

 

 

 

 

-1.4

 

-1.33333

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

-1.06667

 

 

-1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Соседние файлы в папке Documents