Название: Визуализация численных методов
Вид работы: курсовая работа
Рубрика: Математика
Размер файла: 348.52 Kb
Скачать файл: referat.me-215123.docx
Краткое описание работы: Общая характеристика и особенности двух методов решения обычных дифференциальных уравнений – Эйлера первого порядка точности и Рунге-Кутта четвёртого порядка точности. Листинг программы для решения обычного дифференциального уравнения в Visual Basic.
Визуализация численных методов
Сибирский государственный университет телекоммуникации и информатики
Уральский технический институт связи и информатики
Факультет телекоммуникации, информатики и управления
Кафедра организации управления связи
По курсу: “Информатика”
По теме: “Визуализация численных методов”
Написал:
Плишкин М. Ю
группа МЕ-72
Преподаватель:
Кандидат технических наук , доцент
Е.Е.Минина
г. Екатеринбург. 2010 г.
Содержание
Введение
1. Постановка задачи
1.1 Метод Эйлера
1.2 Метод Рунге – Кутта
2. Блок-схемы
3. Виды, формы
3.1 Начальная форма
3.2 Конечная форма
4. Программа для решения дифференциального уравнения в Visual Basic
Заключение
Введение
Уравнения, связывающие независимую переменную, искомую функцию и её производные называют дифференциальным уравнением. Решение дифференциального уравнения называется функция, которая при подстановке в уравнение обращает его в тождество.
Если искомая (неизвестная) функция зависит от одной переменной, то дифференциальное уравнение называется обычным; в противном случае – уравнение в частных производных, содержащие несколько независимых переменных и производные по ним, которые называются частными. В данной работе будут рассматриваться методы решения обычных дифференциальных уравнений (ОДУ).
Чтобы решить ОДУ, необходимо знать значение зависимой переменной и (или) её производные 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.
Числовое 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.
Одношаговые методы, в которых для нахождения следующей точки на кривой y=f(x) требуется информация лишь об одном предыдущем шаге. Одношаговыми являются метод Эйлера и методы Рунге – Кутта.
Методы прогноза и коррекции (многошаговые), в которых для отыскивания следующей точки кривой y=f(x) требуется информация более чем об одной из предыдущих точек. Чтобы получить достаточно точное численное значение, часто прибегают к итерации. К числу таких методов относятся методы Милны, Адамса – Башфорта и Хемминга.
Явные методы, в которых функция Ф в выражении (1) не зависит от yn+1.
Неявные методы, в которых функция Ф зависит от yn+1.
В данной курсовой работе будут рассматриваться два одношаговых метода: метод Эйлера первого порядка точности и Рунге – Кутта четвёртого порядка точности.
1. Постановка задачи
В данной курсовой работе необходимо решить ОДУ вида y` = 4y/x с заданными начальными значениями x0=1, xk=1.4, y0=2, h=0.05. Для проверки точности результатов дано общее решение данного уравнения y=x^4с. Требуется решить уравнение двумя методами: Эйлера модифицированного и Рунге – Кутта четвёртого порядка, сравнить результаты и сделать вывод какой метод эффективнее использовать, построить графики.
Численное решение задачи Коши сводится к табулированию искомой функции.
График решения дифференциального уравнения называется интегральной кривой.
Геометрический смысл задачи:
y`=f(x,y) – тангенс угла наклона касательной к графику решения в точке (x,y) к оси OX (угловой коэффициент (в общей формуле прямой,
y=k*x+b,
обозначается как “k”)(рис 1).
Рисунок 1. Геометрический смысл задачи Коши
Существующие решения:
Если правая часть f(x,y) непрерывная в некоторой области R, определяемой неравенствами |x – x0| < a; |y – y0| > b, то существует, по меньшей мере, одно решение y=y(x), определённое в окрестности |x – x0| < h, где h > 0.
При использовании численных методов выполняется замена отрезка [x0,X] – области непрерывного изменения аргумента x множеством wh, состоящего из конечного числа точек x0<x1<...<xn=X – сеткой.
При этом xi называют узлами решётки.
Задача Коши, определённая ранее на непрерывном отрезке [x0,X], заменяется её дискретным аналогом – системой уравнений, решая которую можно последовательно найти значения y1,y2,...,yn – приближённые значения функции в узлах сетки.
1.1 Метод Эйлера
Данный метод, как сказано выше, является одношаговым. Табулирование функции происходит поочередно в каждой точке. Для расчёта 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=x0+i*h 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.
Проведём прямую АВ через точку (xi,yi) под углом α. При этом
tgα=f(xi,yi) (1)
В соответствии с геометрическим смыслом задачи, прямая АВ является касательной к интегральной функции. Произведём замену точки интегральной функции точкой, лежащей на касательной АВ.
Тогда
y i+1=yi+Δy (2).
Из прямоугольного треугольника АВС
tgα= Δy/h (3).
Приравниваем правые части (1) и (3). Получим
Δy/h= f(xi,yi).
Отсюда
Δy= f(xi,yi)*h.
Подставим в это выражение формулу (2), а затем преобразуем его. В результате получаем формулу расчёта очередной точки интегральной функции:
y i+1=yi+ h*f (xi,yi) (4).
Из формулы (4) видно, что для расчёта каждой следующей точки интегральной функции необходимо знать значение только одной предыдущей точки. Таким образом, зная начальные условия, можно построить интегральную кривую на заданном промежутке.
Рисунок 2. Метод Эйлера
Метод Эйлера – один из простейших методов численного решения ОДУ. Но существенным его недостатком является большая погрешность вычислений. На рисунке 2 погрешность вычислений дляi-го шага обозначена ε. С каждым шагом погрешность вычислений увеличивается.
1.2 Метод Рунге – Кутта
Пусть дано дифференциальное уравнение первого порядка y`=f(x,y) с начальным условием y(x0)=y0.
Выберем шаг h и введём обозначения:
xi=x0+i*h и yi=y(xi), где i=0,1,2,...,
xi- узлы сетки,
yi- значение интегральной функции в узлах.
Проведём решение в несколько этапов.
Обозначим точки: A(xi,yi), B(xi+1,yi+1), C, D, E.
Через точку А проведём прямую под углом α, где tg α = f(xi,yi).
На прямой (1) найдём точку С. Через точку С проведём прямую под углом α1, где
tg α1 = f(xi+h/4, yi+h/4*f(xi,yi).
Через точку А проведём прямую параллельную последней прямой.
Найдём точку D на прямой (2) и через неё проведём прямую под углом α2, где
tg α2 = f(xi+h/2, yi+h/2*f(xi,yi)).
Через точку А проведём прямую параллельную последней прямой.
По примеру, описанному выше, построим прямую, которая пересечётся с прямой x = xi+1. Эта точка и будет решением дифференциального уравнения при x = xi+1.
Согласно методу Рунге – Кутта четвёртого порядка, последовательные значения yi искомой функции y определяется по формуле:
y i+1=yi+Δy,
где
Δy=(k1+2*k2+2*k3+k4)/6, i=0,1,2,...
а числа k1(i),k2(i),k3(i),k4(i) на каждом шаге вычисляются по формулам:
k1=h*f(xi,yi)
k2 =h*f(xi+h/2,yi+k1/2)
k3=h*f(xi+h/2,yi+k2/2)
k4 =h*f(xi+h,yi+k3)
Это явный четырёхэтапный метод четвёртого порядка точности.
2. Блок-схемы
3. Виды, формы
3.1 Начальная форма
3.2 Конечная форма
4. Программа для решения дифференциального уравнения в Visual Basic
Dim y(9) As Single
Dim YE(9) As Single
Dim YR(9) As Single
Dim YT(9) As Single
Dim l(9) As Single
Private x0 As Single
Private Function fun(a As Single, b As Single) As Single
f = (b + 2) / (a + 1)
fun = f
End Function
Private Sub Command1_Click()
x0 = Val(Text1.Text)
xk = Val(Text2.Text)
y0 = Val(Text3.Text)
h = Val(Text4.Text)
N = (xk - x0) / h
MSFlexGrid1.Rows = N + 2
MSFlexGrid1.TextMatrix(0, 0) = "x"
MSFlexGrid1.TextMatrix(0, 1) = "YE"
MSFlexGrid1.TextMatrix(0, 2) = "YR"
MSFlexGrid1.TextMatrix(0, 3) = "YT"
Min = y0
Max = y0
l(0) = x0
y(0) = y0
YE(0) = y0
YR(0) = y0
YT(0) = y0
For i = 0 To N
l(i + 1) = x0 + i * h
k1 = h * fun(l(i), YR(i))
k2 = h * fun(l(i) + h / 2, YR(i) + k1 / 2)
k3 = h * fun(l(i) + h / 2, YR(i) + k2 / 2)
k4 = h * fun(l(i) + h, YR(i) + k3)
k = (k1 + 2 * k2 + 2 * k3 + k4) / 6
YR(i + 1) = YR(i) + k
YE(i + 1) = YE(i) + h * fun(l(i), YE(i))
YT(i) = (l(i + 1) + 1) * 2 - 2
MSFlexGrid1.TextMatrix(i + 1, 0) = l(i + 1)
MSFlexGrid1.TextMatrix(i + 1, 1) = YE(i)
MSFlexGrid1.TextMatrix(i + 1, 2) = YR(i)
MSFlexGrid1.TextMatrix(i + 1, 3) = YT(i)
If YE(i) > Max Then max1 = YE(i)
If YE(i) < Min Then min1 = YE(i)
If YR(i) > Max Then Max2 = YR(i)
If YR(i) < Min Then Min2 = YR(i)
If YT(i) > Max Then Max3 = YT(i)
If YT(i) < Min Then Min3 = YT(i)
Next i
For i = 0 To N - 1
px = (5415 / (xk - x0))
py = (6705 / (max1 - min1))
u1 = (l(i) - x0) * px + 600
u2 = 7440 - (YE(i) - min1) * py
u3 = (l(i + 1) - x0) * px + 600
u4 = 7440 - (YE(i + 1) - min1) * py
Picture1.Line (u1, u2)-(u3, u4)
u5 = (l(i) - x0) * px + 600
u6 = 7440 - (YR(i) - min1) * py
u7 = (l(i + 1) - x0) * px + 600
u8 = 7440 - (YR(i + 1) - min1) * py
Picture1.Line (u5, u6)-(u7, u8)
u9 = (l(i) - x0) * px + 600
u10 = 7440 - (YT(i) - min1) * py
u11 = (l(i + 1) - x0) * px + 600
u12 = 7440 - (YT(i + 1) - min1) * py
Picture1.Line (u9, u10)-(u11, u12)
Next i
End Sub
Заключение
В данной курсовой рассматривались два метода решения ОДУ с начальными условиями, то есть задачи Коши: метод Эйлера и метод Рунге – Кутта четвёртого порядка.
Данные полученные этими методами идентичны друг другу, но с точки зрения простоты использования метод Эйлера гораздо проще в описании, чем метод Рунге – Кутта четвертого порядка.
Если посмотреть на графики и значения в точках, то можно убедится в том что методы почти точно определяют значения в у, и графики почти совпадают, имея небольшой угол отклонения.
Похожие работы
-
Решение нелинейных уравнений
Задание №1 Отделить корни уравнения графически и уточнить один из них: · методом половинного деления; · методом хорд; · методом касательных; · методом секущих;
-
Решение систем линейных дифференциальных уравнений пятиточечным методом Адамса Башфорта
РЕШЕНИЕ СИСТЕМ ЛИНЕЙНЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ ПЯТИТОЧЕЧНЫМ МЕТОДОМ АДАМСА – БАШФОРТА Работу выполнил студент гр.И-29 Уханов Е.В. Кафедра “Системы и Процессы Управления”
-
Решение задачи Коши для систем обыкновенных дифференциальных уравнений методом Рунге-Кутта-Мерсо
ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………….…………3 ГЛАВА . РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ КОШИ ДЛЯ СИСТЕМ ДИФФЕРНЕЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ МЕТОДОМ РУНГЕ-КУТТА-МЕРСОНА
-
Численные методы
Подавляющее большинство процессов реального мира носит линейный характер. Область, использования линейных моделей ограничена, в то же время для построения нелинейных моделей хорошо разработан математический аппарат. Методо МНК для линейной функции.
-
Численные методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений
Лабораторная работа 1 Численные методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений (4 часа) При решении многих физических и геометрических задач приходится искать неизвестную функцию по данному соотношению между неизвестной функцией, ее производными и независимыми переменными. Такое соотношение называется
-
Решение задач методами Эйлера и Рунге-Кутта
Составление диагональной системы способом прогонки, нахождение решения задачи Коши для дифференциального уравнения на сетке методом Эйлера и классическим методом Рунге-Кутта. Построение кубического сплайна интерполирующей функции равномерного разбиения.
-
Вычисление радиальных функций Матье-Ханкеля
Условия возникновения и особенности вычисления функций Матье, характеристика дифференциального уравнения Матье. Алгоритм решения задачи и алгоритмы вычисления радиальных функций эллиптического цилиндра. Определение точности результатов вычисления.
-
Исследование метода дифференцирования по параметру для решения нелинейных САУ
Разработка программного обеспечения для решения нелинейных систем алгебраических уравнений методом дифференцирования по параметру и исследование влияние метода интегрирования на точность получаемого решения. Построение графиков переходных процессов.
-
Интеграционный метод Эйлера для решения линейных систем алгебраических уравнений
Характеристики метода Эйлера. Параметры программы, предназначенной для решения систем линейных уравнений и ее логическая структура. Блок-схема программы и этапы ее работы. Проведение анализа результатов тестирования, исходя из графиков интераций.
-
Метод Хемминга
Алгоритм численного решения системы обыкновенных дифференциальных уравнений методом Хемминга с постоянным шагом интегрирования.