Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Федеральное агентство связи
ФГОБУ ВПО “СибГУТИ”
Уральский технический институт связи и информатики
по информатике:
Визуализация численных методов.
Решение обыкновенных дифференциальных уравнений.
студент гр.: ИТЕ-13б
Миллер Д.А.
Проверила:
Бикбулатова Н.Г.
Екатеринбург
2012 г.
Содержание
Введение………………………………………………………………….3
1. Обоснование выбора темы работы…………………………………………
1.1. Постановка задачи…………………………………………………….4
1.2. Описание методов решения…………………………………………..4
1.2.2 Геометрический смысл задачи…………………………………….5
1.2.3 Численные методы решения задачи Коши……………………….6
2 Решение поставленной задачи методами Эйлера и Рунге Кутта…………………………………………………………….12
2.1 Метод Эйлера………….…………………………………………12
2.2 Метод Рунге-Кутта………………………………………………12
2.3 Алгоритм решения задачи…………………………………………...13
2.3.1 Алгоритмы подпрограмм.………………………………………....13
4. Форма программы…………………………………………………….20
5. Листинг программы…………………………………………………..21
6. Решение задачи в MathCad…………………………………………..23
Заключение………………………………………………………………25
Введение
При решении различных задач математики, физики, химии и других наук часто пользуются математическими моделями в виде дифференциальных уравнений связывающих независимую переменную, искомую функцию и ее производные. Например, исследуя полученные дифференциальные уравнения вместе с дополнительными условиями, мы можем получить сведения о происходящем явлении, иногда может узнать его прошлое и будущее. Изучение математической модели математическими методами позволяет не только получить качественные характеристики физических явлений и рассчитать с заданной степенью точности ход реального процесса, но и дает возможность проникнуть в суть физических явлений, а иногда предсказать и новые физические эффекты. Бывает, что сама природа физического явления подсказывает и подходы, и методы математического исследования. Критерием правильности выбора математической модели является практика, сопоставление данных математического исследования с экспериментальными данными. Не всегда удается решить дифференциальное уравнение без помощи компьютера, поэтому создание все лучших и удобных программ для решения уравнений всегда будет являться актуальным вопросом.
Целью данной курсовой работы является решение дифференциального уравнения двумя численными методами: методом Эйлера и методом Рунге-Кутта 4 порядка точности.
Для достижения цели я поставил перед собой следующие задачи:
1 Обоснование выбора темы работы
Решить методами Эйлера и Рунке-Кутта задачу Коши для дифференциального уравнения 1-го порядка на отрезке [X0; Xk] с шагом h и начальным условием: Y(X0) = Y0.
Ответ должен быть получен в виде таблицы результатов:
|
X |
Y(1) |
Y(2) |
YT |
|
X0 |
Y0(1) |
Y0(2) |
Y(X0) |
|
X1 |
Y1(1) |
Y1(2) |
Y(X1) |
|
… |
… |
… |
… |
|
Xk |
Yk(1) |
Yk(2) |
Y(Xk) |
Где Y(1), Y(2) – решения, полученные различными численными методами, YT – точное решение дифференциального уравнения.
Возможно представление результатов решения не в виде таблицы, а в виде списков.
Данные таблицы визуализировать на форме в виде графиков.
Перед вычислением последнего столбца таблицы результатов необходимо из начальных условий вычесть значение коэффициента c, используемого в общем решении.
|
Дифференциальное уравнение |
X0 |
Xk |
h |
Y0 |
Общее решение |
|
y’ *(x+1)=y+2 |
0 |
0,8 |
0,1 |
0 |
y=(x+1)*c-2 |
Чтобы решить обыкновенное дифференциальное уравнение, необходимо знать значения зависимой переменной и (или) её производных при некоторых значениях независимой переменной. Если эти дополнительные условия задаются при одном значении независимой переменной, то такая задача называется задачей с начальными условиями, или задачей Коши. Часто в задаче Коши в роли независимой переменной выступает время.
Задачу Коши можно сформулировать следующим образом:
Пусть дано дифференциальное уравнение и начальное условие y(x0) = у0. Требуется найти функцию у(x), удовлетворяющую как указанному уравнению, так и начальному условию.
Численное решение задачи Коши сводится к табулированию искомой функции.
График решения дифференциального уравнения называется интегральной кривой.
1.2. 2 Геометрический смысл задачи.
Y’ = f(x,y) - тангенс угла наклона касательной к графику решения в точке (х, у) к оси 0Х, - угловой коэффициент (рис. 1).
Рисунок 1 - Геометрический смысл задачи Коши.
Существование решения:
Если правая часть f(x, y) непрерывна в некоторой области R, определяемой неравенствами
|x-x0| < а; |y-y0| < b,
то существует, по меньшей мере, одно решение у = у(х), определённое в окрестности |х – х0| < h, где h – положительное число.
Это решение единственно, если в R выполнено условие Липшица
|f(x,y)-f(x,y)| ≤N|y-y|(x,y),
где N – некоторая постоянная (константа Липшица), зависящая, в общем случае, от а и b. Если f(x, у) имеет ограниченную производную
f’y(x, y) в R, то можно положить N = мах |f’y(х, у)| при (х, y) принадлежащим R.
1.2. 3 Численные методы решения задачи Коши
При использовании численных методов выполняется замена отрезка [х0, X] – области непрерывного изменения аргумента х множеством . Состоящего из конечного числа точек х0 < х1 < … < xn = Х – сеткой.
При этом xi называют узлами сетки.
Во многих методах используются равномерные сетки с шагом:
Задача Коши, определённая ранее на непрерывном отрезке [х0, X], заменяется её дискретным аналогом – системой уравнений, решая которую можно последовательно найти значения y1, y2,…,yn – приближённые значения функции в узлах сетки.
Численное решение задачи Коши широко применяется в различных областях науки и техники, и число разработанных для него методов достаточно велико. Эти методы могут быть разделены на следующие группы.
Иногда этот метод называют методом Рунге-Кутта первого порядка точности.
Данный метод одношаговый. Табулирование функции происходит поочередно в каждой точке. Для расчета значения функции в очередном узле необходимо использовать значение функции в одном предыдущем узле.
Пусть дано дифференциальное уравнение первого порядка:
Y’= f(x, y)
с начальным условием
y(x0) = y0
Выберем шаг h и введём обозначения:
xi = х0 + ih и yi = y(xi), где i = 0, 1, 2, …,
xi – узлы сетки,
yi – значение интегральной функции в узлах.
Иллюстрации к решению приведены на рисунке 2.
Проведем прямую АВ через точку (xi, yi) под углом α. При этом tg α = f(xi, yi)
В соответствий с геометрическим смыслом задачи, прямая АВ является касательной к интегральной функции. Произведем замену точки интегральной функции точкой, лежащей на касательной АВ.
Тогда yi+1 = yi + Δy
Из прямоугольного треугольника ABC
Приравняем правые части tg α = f(xi, yi) и . Получим
Отсюда Δу = h ∙ f(xi, yi).
Подставим в это выражение формулу yi+1 = yi + Δy, а затем преобразуем его. В результате получаем формулу расчета очередной точки интегральной функции:
Из формулы видно, что для расчета каждой следующей точки интегральной функции необходимо знать значение только одной предыдущей точки. Таким образом, зная начальные условия, можно построить интегральную кривую на заданном промежутке.
Блок-схема процедуры решения дифференциального уравнения методом Эйлера приведена на рисунке 3.
Eiler(X0, Xk, Y0, N, Y)
F(x, у) – заданная функция –должна
h = (Xk – X0)/N
быть описана отдельно.
Входные параметры:
i = 0, , N - 1
Х0, XK—начальное и конечное
значения независимой переменной;
x = X0 + i ∙5 h
Y0 – значение y0 из начального условия
y(x0) = y0;
Yi+1 = Yi + h ∙5 F(x, Yi)
3