10662

Интегрирование дифференциальных уравнений второго порядка методом Рунге-Кутта

Лабораторная работа

Информатика, кибернетика и программирование

Лабораторная работа 12 Интегрирование дифференциальных уравнений второго порядка методом РунгеКутта. Цель работы. Научиться решать дифференциальное уравнение второго порядка путем преобразования его к системе двух уравнений первого порядка с последующ

Русский

2013-03-30

310 KB

23 чел.

Лабораторная  работа  12

Интегрирование дифференциальных уравнений

второго порядка методом Рунге-Кутта.

Цель работы.  Научиться решать дифференциальное уравнение второго порядка путем преобразования его к системе двух уравнений первого порядка с последующим  использованием алгоритма  Рунге-Кутта.

 Теоретические положения .  Пусть дано дифференциальное уравнение второго порядка

                          (1)

с начальными условиями

,                                 

.                                (2)

Требуется найти его решение    на отрезке  ,  где

,  ,                  (3)

.

Если ввести  вспомогательную функцию   такую, что

 

с начальным условием   ,

то уравнение (1) можно преобразовать к системе  уравнений вида:

                          (4)

Согласно методу Рунге-Кутта система (4) решается следующим образом:  cчитая известными величины    и  ,

- найдем две группы чисел

,

,

,                                (5)

,

и

,

,             

,            (6)

.

- на основании (5)  и  (6) имеем

,                             (7)

- последующие значения переменных найдем как

                                      (8)

Подставив в (5) и (6) вместо  соответственно  , по формулам (7)  найдем  , после чего  и т.д., пока не будет пройден  весь отрезок   и найдена искомая  функция  .

Порядок выполнения работы.   

- переписать  исходные данные к работе:

     - дифференциальное уравнение,

    ,   -  начальные  условия,

      - отрезок  для поиска решения,

- количество точек решения  ,

- точность расчетов принять равной  .

- ввести вспомогательную функцию , найти к ней начальное условие  ,

- преобразовать ДУ второго порядка в систему уравнений первого порядка,

- выполнить в  MathCad  расчеты  по формулам (5) – (8):

а) задать функцию ,

б) ввести начальные условия,

в) вычислить  ,

г) задать выражения из формул (5) и (6)  в следующем порядке:

,

д) по формулам (7) найти   и  ,

е) по формулам (8) найти последующие значения переменных,

ж) вычисления по пунктам б) – е) повторить еще 9 раз,

- составить итоговую таблицу расчетов ( колонки - ),

- выполнить проверку результатов:

а) сделать в Excel таблицу разностей по функции  ,

б) вычислить  по формуле численного дифференцирования,

в) подставить  в правую часть (1) величины   и найти  ,

г) сравнить   и   (теоретически они должны совпасть).

д) найти абсолютную и относительную погрешности метода,

- сделать выводы по работе.

Варианты исходных данных. Задано дифференциальное уравнение второго порядка,  начальные условия,  и интервал   для поиска его решения методом Рунге-Кутта.

Дифференциальное уравнение

Начальные

условия

Интервал

решения

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

  

         Пример расчета.   

  1.  Цель работы: проинтегрировать дифференциальное уравнение второго порядка методом Рунге-Кутта.
  2.  Исходные данные:

                                 n=10    h=(b-a)/10   

  1.   Преобразуем дифференциальное уравнение второго порядка в систему уравнений первого порядка.

          

  1.  Реализация в Mathcad , все расчеты выполним по следующей схеме:

                                      Продолжение                    Продолжение

                                        

 

  1.  Составляем таблицу:

I

X

dy

dz

yi

zi

0

0,000

0,013

0,251

0,000

0,000

1

0,105

0,039

0,250

0,013

0,251

2

0,210

0,066

0,249

0,052

0,502

3

0,315

0,066

0,247

0,118

0,751

4

0,420

0,091

0,244

0,184

0,749

5

0,525

0,091

0,241

0,275

0,995

6

0,630

0,117

0,237

0,366

0,990

7

0,735

0,116

0,232

0,483

1,232

8

0,840

0,141

0,227

0,624

1,464

9

0,945

0,165

0,221

0,765

1,459

10

1,050

0,164

0,214

0,930

1,685

  1.  Проверка:

x1=0.105

y1=0.013

y1’=z1=0.251

y’’1=z1                   найдем из последней колонки, создав таблицу разностей

                        dz,  d2z,  d3z,  d4z

dz

d2z

d3z

d4z

0

0,251

0

-0,002

-0,247

0,251

0,251

-0,002

-0,249

 

0,502

0,249

-0,251

 

 

0,751

-0,002

 

 

 

0,749

 

 

 

 

Для  определения точного значения, берем первые две разности  из

таблицы:

посчитаем погрешность при расчете методом Рунге-Кутта

7.Выводы по работе:  Выполняются студентом самостоятельно.

PAGE  5


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

66396. ВНУТРІШНЬОАРТЕРІАЛЬНА ПОЛІХІМІОТЕРАПІЯ РАКУ МОЛОЧНОЇ ЗАЛОЗИ. УСКЛАДНЕННЯ, ЇХ ПРОФІЛАКТИКА ТА ЛІКУВАННЯ 272 KB
  Місцеворозповсюджені форми раку молочної залози вважаються прогностично несприятливими і лише впровадження сучасних схем хіміогормонотерапії в клінічну практику зокрема внутрішньоартеріальних інфузій хіміопрепаратів дозволило декілька покращити результати лікування хворих.
66397. Забезпечення продуктивності багатономенклатурних механообробних виробництв на основі синтезу структур технологічних систем 611 KB
  Існуючий стан машинобудування в Україні не достатньо забезпечує необхідні показники конкурентоспроможності продуктивності та якості техніки. Одним із напрямків підвищення ефективності таких виробництв є створення механообробних технологічних систем ТС що сполучають в собі суперечливі властивості високої продуктивності та гнучкості.
66398. ОСОБЛИВОСТІ МОРФОГЕНЕЗУ НАДНИРКОВИХ ЗАЛОЗ ПІД ВПЛИВОМ НА ОРГАНІЗМ ТОЛУОЛУ 232.5 KB
  У зв'язку з цим актуальним компонентом нашої роботи став пошук препаратів здатних нормалізувати структуру надниркових залоз щурів які перенесли вплив толуолу. Встановити особливості будови надниркових залоз статевозрілих щурівсамців...
66399. ГЕНДЕРНА СПЕЦИФІКА СТАНОВЛЕННЯ ПРОФЕСІЙНОГО ІНТЕЛЕКТУ У СТУДЕНТІВ ВИЩОГО ТЕХНІЧНОГО НАВЧАЛЬНОГО ЗАКЛАДУ 183 KB
  Сучасному молодому фахівцю інженерної галузі необхідно вміти продуктивно та творчо розвязувати завдання й вирішувати виробничі проблеми виявляти здатність професійно інтелектуально розвиватися....
66400. РОЗВИТОК ТЕХНІЧНОГО МИСЛЕННЯ У МАЙБУТНІХ ВЧИТЕЛІВ ТЕХНОЛОГІЙ В ПРОЦЕСІ ВИВЧЕННЯ СПЕЦІАЛЬНИХ ДИСЦИПЛІН 252.5 KB
  Характер технічної оснащеності і наявних технологій у їх сукупності відображають рівень інтелектуального, духовного потенціалу суспільства, можливості самореалізації кожної людини. Безперечно, що підростаючому поколінню потрібно оволодівати знаннями про сутність технологічних перетворень навколишньої дійсності.
66401. КОНЦЕПТ ПРИРОДИ В ПОЕЗІЇ ВІЛЬЯМА БЛЕЙКА ТА ФЕДОРА ТЮТЧЕВА 157 KB
  Якщо йдеться про порівняння художніх світів англійця Блейка вільного митця й принципового нонконформіста та російського аристократа-царедворця Тютчева який намагався щиро сповідувати офіційну ідеологічну доктрину царату більше того порівняння письменників...
66402. СОЦІАЛЬНО-ПЕДАГОГІЧНА ПІДТРИМКА ОБДАРОВАНИХ ДІТЕЙ У ШКОЛАХ США 163 KB
  Проблема навчання й виховання обдарованих дітей набула особливого значення на порозі ХХІ століття. Навчання й виховання обдарованих дітей є надзвичайно важливими для створення підґрунтя розвитку інтелектуальних та творчих ресурсів суспільства будьякої держави зокрема України.
66403. Система самостійної роботи студентів-заочників філологічних факультетів педагогічних університетів 181 KB
  Упровадження інноваційних педагогічних технологій вимагає змін у підходах до організації навчального процесу вищої школи які передусім стосуються самостійної роботи студентів навчальних закладів ІІІ-ІV рівня акредитації.
66404. Теоретичне та експериментальне обґрунтування застосування сучасних гелеутворювачів природного та синтетичного походження у технології м’яких лікувально-косметичних засобів 1.71 MB
  Однак відомостей щодо її складу біологічної дії у науковій літературі практично немає що робить актуальним комплексне дослідження бодяги та розробку засобів місцевої дії на її основі для специфічного догляду та корекції патологічних станів шкіри.