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

5 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

65724. УДОСКОНАЛЕННЯ ЛОГІСТИЧНОГО СЕРВІСУ В ПРОЕКТАХ ПЕРЕВЕЗЕНЬ ВАНТАЖІВ 522.5 KB
  Задачі вдосконалення логістичного сервісу в проектах перевезень вантажів Інтеграція Інформатизація Вибір та оптимізація індивідуального обладнання необхідного для оптимального функціонування підприємств які надають логістичні послуги Розроблення єдиного...
65725. Отоліти та зуби костистих риб палеогену України 538 KB
  Костисті риби переважають у складі кайнозойської іхтіофауни. Окрім скелетних решток самостійним обєктом дослідження є розрізнені отоліти та зуби костистих риб. Костисті риби з палеогенових відкладів України були вивчені в основному за повноскелетними рештками.
65726. Цілеспрямована стимуляція перебудови полів дефектів структури кристалів CdZnTe і ZnSe:Te 501.5 KB
  Однак при сучасній цифровій обробці частина інформації віртуальна тому при комплексному дослідженні впливу перебудови полів дефектів структури на кінетичні фотоелектричні та фотодіелектричні характеристики кристалів необхідно використовувати взаємоузгодженні алгоритми і програми.
65727. ПОВЕРХНЕВI ТА ТУНЕЛЬНI ЕФЕКТИ В МЕТАЛЕВИХ НАНОСТРУКТУРАХ 820 KB
  Розвинути теорiю одноелектронного тунельного транспорту в кластерних структурах з урахуванням нагрiву електронної пiдсистеми кластерiв і уширення енергетичних рiвнiв. Для досягнення поставленої мети необхiдно було вирiшити наступнi задачi: розвинути метод функцiонала густини для...
65728. ЗАЛЕЖНІСТЬ ФІЗИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ НУКЛЕОТИДІВ І ПРОМОТОРІВ ВІД ЇХНІХ ФУНКЦІОНАЛЬНИХ І ЕВОЛЮЦІЙНИХ ХАРАКТЕРИСТИК 722 KB
  Саме виявлення та дослідження взаємозвязків між фізичними властивостями промоторів та їхньою біологічною активністю проводиться в дисертаційній роботі. Знання перелічених закономірностей і залежностей дає змогу зрозуміти енергетичні характеристики генетичного коду...
65729. Релігійне виховання в закладах загальної середньої освіти ФРН: 1945-2005 роки 166.5 KB
  У контексті європейського партнерства одним зі стратегічних завдань української освіти стало виховання високоморальних громадян які могли б налагоджувати міжлюдські й міжнаціональні взаємовідносини сприяти суспільно-економічному та культурному розвитку нашої держави.
65730. ЦІННІСНИЙ ДИСКУРС СТУДЕНТСЬКОЇ МОЛОДІ В ПЕРІОД РИНКОВИХ ТА ДЕМОКРАТИЧНИХ ТРАНСФОРМАЦІЙ 178 KB
  Актуальність дослідження проблеми ціннісного дискурсу студентської молоді обумовлена необхідністю формування відповідей на виклики які сьогодні делегує студентській молоді дійсність економічні політичні та соціокультурні зміни як всередині країни так і на міжнародному рівні.
65731. Моделі та методи аналізу сервіс-орієнтованих інформаційно-обчислювальних систем 289.5 KB
  Математичне моделювання є одним з найбільш поширених методів що дозволяє вирішити цю задачу. Використання ж методів імітаційного моделювання не дозволяє отримати формалізовані залежності між показниками якості та параметрами системи.
65732. ПЕДАГОГІЧНІ УМОВИ ПІДВИЩЕННЯ КВАЛІФІКАЦІЇ ВЧИТЕЛІВ МИСТЕЦЬКИХ ДИСЦИПЛІН У СИСТЕМІ ПІСЛЯДИПЛОМНОЇ ОСВІТИ 170.5 KB
  У сучасному постіндустріальному суспільстві ідеал гармонійно розвинутої особистості також набуває нового змісту тому система художньоестетичного виховання потребує появи вчителя нової формації особливо вчителя мистецьких дисциплін який має вирішувати ряд основних завдань...