Численные методы решения задачи Коши для ОДУ первого порядка
Постановка задачи. Найти решение ОДУ первого порядка
на отрезке при условии
При нахождении приближенного решения будем считать, что вычисления проводятся с расчетным шагом , расчетными узлами служат точки промежутка [x0, xn].
Целью является построение таблицы
xi | x0 | x1 | … | xn |
yi | y0 | y1 | … | yn |
т.е. ищутся приближенные значения y в узлах сетки.
Интегрируя уравнение на отрезке , получим
Вполне естественным (но не единственным) путем получения численного решения является замена в нем интеграла какой–либо квадратурной формулой численного интегрирования. Если воспользоваться простейшей формулой левых прямоугольников первого порядка
,
то получим явную формулу Эйлера:
, .
Порядок расчетов:
Зная , находим , затем т.д.
Геометрическая интерпретация метода Эйлера:
Пользуясь тем, что в точке x0 известно решение y(x0) = y0 и значение его производной , можно записать уравнение касательной к графику искомой функции в точке : . При достаточно малом шаге h ордината этой касательной, полученная подстановкой в правую часть значения , должна мало отличаться от ординаты y(x1) решения y(x) задачи Коши. Следовательно, точка пересечения касательной с прямой x = x1 может быть приближенно принята за новую начальную точку. Через эту точку снова проведем прямую , которая приближенно отражает поведение касательной к в точке . Подставляя сюда (т.е. пересечение с прямой x = x2), получим приближенное значение y(x) в точке x2: и т.д. В итоге для i–й точки получим формулу Эйлера.
Явный метод Эйлера имеет первый порядок точности или аппроксимации.
Если использовать формулу правых прямоугольников: , то придем к методу
, .
Этот метод называют неявным методом Эйлера, поскольку для вычисления неизвестного значения по известному значению требуется решать уравнение, в общем случае нелинейное.
Неявный метод Эйлера имеет первый порядок точности или аппроксимации.
Рассмотрим несколько численных методов решения дифференциальных уравнений первого порядка. Описание численных методов приводится для уравнения в виде у'=f(x,y).
1. Метод Эйлера.
Рассмотрим два варианта вывода расчетных формул
· вариант 1 (аналитический) у=f (x,y)
y1=y0+h*f(x0,y0) x1=x0+h | Расчетные формулы для 1-го шага |
yi+1=yi+h*f(xi,yi) xi+1=xi*h | Расчетные формулы для i-го шага |
· вариант 2 (графический)
y1=y0+f(x0,y0)*h; x1=x0+h yi+1=yi+h*f(xi,yi) | |
k1=h*f(xi,yi) yi+1=yi+ki xi+1=xi+h | Аналогично варианту 1 |
Пример. Решить задачу Коши:
.
Рассмотреть три метода: явный метод Эйлера, модифицированный метод Эйлера, метод Рунге – Кутта.
Точное решение:
Расчетные формулы по явному методу Эйлера для данного примера:
Расчетные формулы модифицированного метода Эйлера:
Расчетные формулы метода Рунге – Кутта:
x | y1 | y2 | y3 | точное |
1.0000 | 1.0000 | 1.0000 | 1.0000 | |
0.1 | 1.2000 | 1.2210 | 1.2221 | 1.2221 |
0.2 | 1.4420 | 1.4923 | 1.4977 | 1.4977 |
0.3 | 1.7384 | 1.8284 | 1.8432 | 1.8432 |
0.4 | 2.1041 | 2.2466 | 2.2783 | 2.2783 |
0.5 | 2.5569 | 2.7680 | 2.8274 | 2.8274 |
0.6 | 3.1183 | 3.4176 | 3.5201 | 3.5202 |
0.7 | 3.8139 | 4.2257 | 4.3927 | 4.3928 |
0.8 | 4.6747 | 5.2288 | 5.4894 | 5.4895 |
0.9 | 5.7377 | 6.4704 | 6.8643 | 6.8645 |
7.0472 | 8.0032 | 8.5834 | 8.5836 |
y1 – метод Эйлера, y2 – модифицированный метод Эйлера, y3 – метод Рунге Кутта.
Видно, что самым точным является метод Рунге – Кутта.
Дата добавления: 2020-05-20; просмотров: 480;