16219

РЕШЕНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ ПЕРВОГО ПОРЯДКА

Лабораторная работа

Информатика, кибернетика и программирование

Лабораторная работа №7 Решение дифференциальных уравнений первого порядка Цель лабораторной работы: Изучить принципы создания класса для решения дифференциальных уравнений первого порядка. Постановка задачи: Разработать класс решения дифференциальных уравнен...

Русский

2013-06-20

80 KB

6 чел.

Лабораторная работа №7

Решение дифференциальных уравнений первого порядка

Цель лабораторной работы: Изучить принципы создания класса для решения дифференциальных уравнений первого порядка.

Постановка задачи:

Разработать класс решения дифференциальных уравнений первого порядка методом Эйлера, методом Рунге-Кутта четвертого порядка. Головная программа должна предоставлять возможность выбора метода решения и дифференциального уравнения и списка.

Краткие теоретические сведения:

Дифференциальным уравнением первого порядка называется уравнение вида F(x,y,у')=0 или у'=f(x,y). Функция y(x), при подстановке которой уравнение обращается в тождество, называется решением дифференциального уравнения.

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

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


  1.  Модифицированный метод Эйлера (вариант 2).

уi+1i+(h/2)[f(xi,yi)+f(xi,+h,yi+hf(xi,yi))],

xi+1=xi+h.

  1.  Метод Рунге-Кутта четвертого порядка.

уi+1=уi+(k1+2k2+2k3+k4)/6,

k1=hf(xi,yi),

k2=hf(xi+h/2, yi+k1/2),

k3=hf(xi+h/2, yi+k2/2),

k4=hf(xi+h, yi+k3),

xi+1=xi+h,

где уi+1i - значения искомой функции в точках xi+1, xi соответственно, индекс i показывает номер шага интегрирования, h - шаг интегрирования. Начальные условия при численном интегрировании учитываются на нулевом шаге: i=0, x=x0, y=y0.

Текст программы:

// основная программа

unit UMainForm;

interface

uses

 Windows, Messages, SysUtils, Variants, Classes, Graphics, Controls, Forms,

 Dialogs, StdCtrls, ExtCtrls, ComCtrls, TeeProcs, TeEngine, Chart, Series,

 Buttons, BubbleCh, Grids, DiffEquation;

type

 TForm1 = class(TForm)

   EditMin: TEdit;

   EditMax: TEdit;

   Label1: TLabel;

   Label2: TLabel;

   Label3: TLabel;

   Panel1: TPanel;

   Label4: TLabel;

   Bevel1: TBevel;

   DisplayChart: TChart;

   Series1: TLineSeries;

   SpeedButton1: TSpeedButton;

   Panel4: TPanel;

   RadioGroupEquation: TRadioGroup;

   Table: TStringGrid;

   Label5: TLabel;

   Panel2: TPanel;

   EditH: TEdit;

   Label6: TLabel;

   Panel3: TPanel;

   GroupBox1: TGroupBox;

   CheckBox1: TCheckBox;

   CheckBox2: TCheckBox;

   CheckBox3: TCheckBox;

   Series2: TLineSeries;

   Series3: TLineSeries;

   procedure SpeedButton1Click(Sender: TObject);

   procedure RadioGroupEquationClick(Sender: TObject);

   procedure GroupBox1Click(Sender: TObject);

   procedure CheckBoxesClick(Sender: TObject);

   procedure FormCreate(Sender: TObject);

 private

   { Private declarations }

 public

   { Public declarations }

 end;

var

 Form1: TForm1;

 Diff:TDifferentia;

implementation

{$R *.dfm}

procedure TForm1.SpeedButton1Click(Sender: TObject);

var

 Method:TMethod;

begin

if Assigned(Diff) then

 diff.Free;

if CheckBox1.Checked=true then Method[0]:=1 else Method[0]:=0;

if CheckBox2.Checked=true then Method[1]:=1 else Method[1]:=0;

if CheckBox3.Checked=true then Method[2]:=1 else Method[2]:=0;

case (RadioGroupEquation.ItemIndex) of

 0:Diff:=TDifferentia.Create(StrToFloat(EditMin.Text),StrToFloat(EditMax.Text),Method,StrToFloat(EditH.Text),DisplayChart,Table);

 1:Diff:=TDifferentia1.Create(StrToFloat(EditMin.Text),StrToFloat(EditMax.Text),Method,StrToFloat(EditH.Text),DisplayChart,Table);

 2:Diff:=TDifferentia2.Create(StrToFloat(EditMin.Text),StrToFloat(EditMax.Text),Method,StrToFloat(EditH.Text),DisplayChart,Table);

end;

end;

procedure TForm1.RadioGroupEquationClick(Sender: TObject);

begin

//  ShowMessage('Для вычисления значений нажмите кнопку "РАССЧИТАТЬ"');

end;

procedure TForm1.GroupBox1Click(Sender: TObject);

begin

 ShowMessage('Для вычисления значений нажмите кнопку "РАССЧИТАТЬ"');

end;

procedure TForm1.CheckBoxesClick(Sender: TObject);

begin

 Diff.Method[(Sender as TCheckBox).Tag]:=ord((Sender as TCheckBox).Checked);

end;

procedure TForm1.FormCreate(Sender: TObject);

begin

 SpeedButton1.Click;

end;

end.

unit DiffEquation;

interface

Uses Chart, Grids, Classes, SysUtils;

Type

 TArrayList = array [0..2] of TList;

 TPoint = Record

     x:Extended;

     y:Extended;

   end;

 PPoint=^TPoint;

 TMethod=array [0..2] of byte;

 TDifferentia = class

   private

     FMin:Extended;  // мин. граница промежутка

     FMax:Extended;  // макс. граница промежутка

     FH:Extended;    // шаг вычисления

     FN:Integer;     // количество итераций

     FMethod:TMethod;    // метод вычисления

     FChart:TChart;  // область отображения

     FTable:TStringGrid;  // таблица для значений

     PD:PPoint;

     FResult:TArrayList;

     procedure DrawF(AResult:TList;series:Byte);

     procedure FillTable(AResult:TList; ARow:Byte);

{     procedure SetMin(newMin:Extended);

     procedure SetMax(newMax:Extended);

     procedure SetMethod(newMetod:Byte);}

   public

     constructor Create(AMin,AMax:Extended; AMethod:TMethod; AH:Extended; AChart:TChart; ATable:TStringGrid); overload;

     function F(x0,y0:Extended):Extended;  virtual;

     property Min:Extended read FMin write FMin;

     property Max:Extended read FMax write FMax;

//     property Method:Byte read FMethod write FMethod;

     property Chart:TChart read FChart write FChart;

     property Table:TStringGrid read FTable write FTable;

     procedure Calculate;

     procedure Calc_Ejler;

     procedure Calc_Modify_Ejler;

     procedure Calc_Runge_Kutta;

     function GetMethod(ind: integer): byte;

     procedure SetMethod(ind: integer;ANew: byte);

     procedure OutPut;

     property Method[ind: integer]: byte read GetMethod write SetMethod;

  end;

 TDifferentia1 = class (TDifferentia)

   public

     function F(x0,y0:Extended):Extended;     override;

 end;

 TDifferentia2 = class (TDifferentia)

   public

     function F(x0,y0:Extended):Extended;     override;

 end;

implementation

function TDifferentia.GetMethod(ind:  integer): byte;

begin

 Result:=FMethod[ind];

end;

procedure TDifferentia.SetMethod(ind: integer;ANew: byte);

begin

 FMethod[ind]:=ANew;

 Self.OutPut;

end;

function TDifferentia1.F(x0,y0:Extended):Extended;

begin

 Result:=(1-2*x0)/(y0*y0);

 Result:=FH*Result;

end;

function TDifferentia2.F(x0,y0:Extended):Extended;

begin

 Result:=sin(x0)-y0;

 Result:=FH*Result;

end;

constructor TDifferentia.Create(AMin,AMax:Extended; AMethod:TMethod; AH:Extended; AChart:TChart; ATable:TStringGrid);

begin

 FMin:=AMin;

 FMax:=AMax;

 FH:=AH;

 FN:=round((FMax-FMin)/FH)+1;

 FMethod:=AMethod;

 FChart:=AChart;

 FTable:=ATable;

 Calculate;

 OutPut;

end;

function TDifferentia.F(x0,y0:Extended):Extended;

begin

 Result:=3*x0-2*y0+5;

 Result:=FH*Result;

end;

procedure TDifferentia.Calculate;

begin

 Calc_Ejler;

 Calc_Modify_Ejler;

 Calc_Runge_Kutta;

end;

procedure TDifferentia.Calc_Ejler;

var

 i:Integer;

 x:Extended;

 y0,y:Extended; // y0 предыдущее значение

begin

 FResult[0]:=TList.Create;

 x:=FMin;

 y0:=1;

 for i:=1 to FN do

  begin

    new(PD);

    y:=y0+F(x-FH,y0);

    y0:=y;

    PD^.x:=x;

    PD^.y:=y;

    x:=x+FH;

    FResult[0].Add(PD);

  end;

end;

procedure TDifferentia.Calc_Modify_Ejler;

var

 i:integer;

 x:Extended;

 y0,y:Extended;

begin

 FResult[1]:=TList.Create;

 x:=FMin;

 y0:=1;

 for i:=1 to FN do

   begin

     new(PD);

     y:=y0+f((x+FH/2),(y0+f(x,y0)/2));

     y0:=y;

     PD^.x:=x;

     PD^.y:=y;

     x:=x+FH;

     FResult[1].Add(PD);

   end;

end;

procedure TDifferentia.Calc_Runge_Kutta;

var

  k1,k2,k3,k4:Extended;

  y0,y:Extended;

  x:Extended;

  i:integer;

begin

 FResult[2]:=TList.Create;

 x:=FMin;

 y0:=1;

 for i:=1 to FN do

   begin

     new(PD);

     k1:=f(x,y0);

     k2:=f(x+FH/2, y0+k1/2);

     k3:=f(x+FH/2, y0+k2/2);

     k4:=f(x+FH, y0+k3);

     y:=y0+(k1+2*k2+2*k3+k4)/6;

     y0:=y;

     PD^.x:=x;

     PD^.y:=y;

     x:=x+FH;

     FResult[2].Add(PD);

   end;

end;

procedure TDifferentia.DrawF(AResult:TList;series:Byte);

var

 i:integer;

begin

FChart.Series[series].Clear;

     for  i:=0 to AResult.Count-1 do

     begin

       new(PD);

       PD:=AResult[i];

       FChart.Series[series].AddXY(PD^.x, PD^.y);

     end;

end;

procedure TDifferentia.OutPut;

var

 i:integer;

 x:Extended;

begin

FTable.Rows[0].Clear;

FTable.Rows[1].Clear;

FTable.Rows[2].Clear;

FTable.Rows[3].Clear;

FChart.Series[0].Clear;

FChart.Series[1].Clear;

FChart.Series[2].Clear;

if ((FMethod[0]=1)or(FMethod[1]=1)or(FMethod[2]=1)) then

  if (Assigned(FChart))and(Assigned(FTable)) then

   begin

     FTable.Cells[0,0]:='   X ';

     FTable.ColCount:=2;

     x:=FMin;

     for i:=1 to FN do

          begin

            FTable.ColCount:=FTable.ColCount+1;

            FTable.Cells[i,0]:=FloatToStr(x);

            x:=x+FH;

          end;

     FTable.ColCount:=Table.ColCount-1;

     if FMethod[0]=1 then

         begin

           FTable.Cells[0,1]:='   Y1 ';

           DrawF(FResult[0],0);

           FillTable(FResult[0],1);

         end;

     if FMethod[1]=1 then

         begin

           FTable.Cells[0,2]:='   Y2 ';

           DrawF(FResult[1],1);

           FillTable(FResult[1],2);

         end;

     if FMethod[2]=1 then

          begin

           FTable.Cells[0,3]:='   Y3';

           DrawF(FResult[2],2);

           FillTable(FResult[2],3);

          end;

   end;

end;

procedure TDifferentia.FillTable(AResult:TList; ARow:Byte);

var

i:integer;

begin

for  i:=0 to AResult.Count-1 do      // y - столбцы

     begin

       new(PD);

       PD:=AResult.Items[i];

       FTable.Cells[i+1,ARow]:=FloatToStr(PD^.y);

       //Dispose(PD);

     end;

end;

end.


Результаты работы программы:

Вывод: В результате выполнения данной лабораторной работы были изучить принципы создания класса для решения дифференциальных уравнений первого порядка.

Был разработан класс, который позволяет вычислять дифференциальные уравнения первого порядка четырьмя различными методами:  Эйлера, усовершенствованный метод Эйлера и методом Рунге-Кутта четвертого порядка. Программа отображает результаты работы в виде графика и таблицы.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

24535. Физические организации файловой системы FAT 68.16 KB
  Физические организации файловой системы FAT.6 Физическая организация файловой системы FAT. Как уже отмечалось аббревиатура FAT file allocation table расшифровывается как таблица размещения файлов. Файловая система FAT поддерживает всего два типа файлов: обычный файл и каталог.
24536. Физические организации файловой системы NTFS 42.33 KB
  Физические организации файловой системы NTFS. Физические организации файловой системы NTFS. Аббревиатура NTFS означает New Technology File System новая технология файловой системы. NTFS содержит ряд значительных усовершенствований существенно отличающих ее от других файловых систем.
24537. Системы программирования: состав систем программирования. Этапы разработки ПО 124.23 KB
  Современные системы программирования как правило представляют собой интегрированную среду разработки integrated development environment IDE к компонентам которой относятся следующие программные средства: текстовый редактор editor предназначенный для создания текстов исходной программы на языке высокого уровня ЯВУ или ассемблере макроассемблере; компилятор compiler составитель предназначенный для трансляции перевода исходного текста входной программы в эквивалентную ей выходную программу объектный код на языке нижнего...
24538. Виды ресурсов вычислительной системы 14.16 KB
  Ресурсы запрашиваются используются и освобождаются процессами. По форме реализации различают: аппаратные ресурсы Hard; программные ресурсы Soft; информационные ресурсы. По способу выделения ресурса различают: неделимые ресурсы предоставляются процессу в полное распоряжение; делимые ресурсы предоставляются процессу в соответствии с запросом на требуемое количество ресурса. Делимые ресурсы в свою очередь можно разделить на те которые могут использоваться процессами одновременно или попеременно.
24539. Структура и виды программного обеспечения (ПО). Характеристика системного ПО 15.33 KB
  ПО Прикладное Операционные системы Система управления файлами Операционные оболочки Утилиты Системы программирования Базы данных САПР Электронные таблицы Издательские системы ПО для математических расчетов Системное Рис. Cистемное ПО можно разделить на следующие группы: операционные системы ОС; системы управления файлами; операционные оболочки; утилиты; системы программирования. Современные системы программирования представляют собой интегрированную среду разработки IDE объединяющую редактор текста компилятор языка...
24540. Классификация ОС 13.63 KB
  Примером таких ОС является семейство Windows и Linux. Среди ОС специального назначения можно выделить следующие разновидности: ОС для карманных компьютеров сотовых телефонов и другой бытовой техники например PalmOS и Windows CE Consumer Electronics бытовая электроника; ОС для встроенных систем телевизоров СВЧ печей стиральных машин и т. По режиму обработки задач различают однозадачные например MSDOS MSX и многозадачные ОС OC EC OS 2 UNIX Windows. По способу взаимодействия пользователя с системой различают...
24541. Назначение и основные функции операционной системы (ОС) для автономного компьютера 13.74 KB
  Назначение и основные функции операционной системы ОС для автономного компьютера.2 Операционные системы для автономного компьютера Операционная система компьютера представляет собой комплекс взаимосвязанных программ который действует как интерфейс между приложениями и пользователями с одной стороны и аппаратурой компьютера с другой стороны. В соответствии с этим определением ОС выполняет две группы функций: предоставление пользователям и программистам вместо реальной аппаратуры компьютера расширенной виртуальной машины с которой удобней...
24542. Сетевые операционные системы: функциональные компоненты и варианты построения 46.02 KB
  Сетевые операционные системы: функциональные компоненты и варианты построения.3 Сетевые операционные системы. Различают сетевые и распределенные ОС. Распределенная ОС предоставляет пользователю сетевые ресурсы в виде ресурсов единой централизованной виртуальной машины.
24543. Одноранговые и серверные операционные системы 79.16 KB
  В зависимости от того как распределены функции между компьютерами сети они могут выступать в трех разных ролях: выделенный сервер сети компьютер обслуживающий запросы других компьютеров т. В одноранговых сетях рабочих группах на все компьютеры устанавливается такая ОС которая предоставляет всем компьютерам в сети потенциально равные возможности. Схема одноранговой сети При потенциальном равноправии всех компьютеров в одноранговой сети часто возникникает функциональная несимметричность которая обусловлена тем что одни компьютеры...