30043

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ. РЕШЕНИЕ ОБЫКНОВЕННЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ

Курсовая

Информатика, кибернетика и программирование

Метод Эйлера модифицированный – стр. В данной курсовой работе требуется вычислить дифференциальное уравнение способами Эйлера и Эйлера модифицированный: Результаты вычислений должны содержать: точное значение уравнения приближенные значения графики Решение обыкновенных дифференциальных уравнений. Одношаговыми являются метод Эйлера и методы Рунге – Кутта.

Русский

2013-08-22

232 KB

27 чел.

PAGE  11

Сибирский государственный университет телекоммуникации

и информатики

Уральский технический институт связи и информатики

Кафедра физики, прикладной математики и информатики

КУРСОВАЯ РАБОТА

по информатике

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ.

РЕШЕНИЕ ОБЫКНОВЕННЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ

Выполнил: студент гр. АЕ-52

Рахматуллин Д.Р.

                                                                                 Руководитель: Минина Е.Е.

Екатеринбург 2006

Содержание.

  1.  Введение - стр.3
  2.  Решение обыкновенных дифференциальных уравнений. Задача Коши – стр.4
  3.  Постановка задачи – стр.4
  4.  Численные методы решения задачи Коши – стр.5
  5.  Метод Эйлера – стр.6
  6.  Метод Эйлера модифицированный – стр.8
  7.  Блок схема
  8.  Код программы – стр.10
  9.  Проверка в пакете MathCad – стр.12
  10.  Формы программы – стр.13
  11.  Заключение – стр.15
  12.  Литература – стр.16

Введение.

Информатика – это области человеческой деятельности, связанная с процессами преобразования информации с помощью компьютеров и их взаимодействием со средой применения.

Термин  и н ф о р м а т и к а возник в 60-х гг. во Франции для названия области, занимающейся автоматизированной обработкой информации с помощью электронных вычислительных машин.

В нашей стране подобная трактовка термина “информатика” утвердилась с момента принятия решения в 1983 г. На сессии годичного собрания Академии наук СССР об организации нового отделения информатики , вычислительной техники и автоматизации. Информатика трактовалась как “комплексная научная инженерская дисциплина, изучающая все аспекты разработки, проектирования, создания, оценки, функционирования основных на ЭВМ систем переработки информации, их применения и воздействия на различные области социальной практики”.

Информатика в таком понимании нацелена на разработку общих методологических принципов построения информационных моделей. Поэтому методы информатики применимы по всюду, где существует возможность описания объекта, явления, процесса и т.п. с помощью информационных моделей. Таким образом, информатика намного ускоряет решение математических задач.

Целью моей работы является изучение основ системы программирования Microsoft  Visual  Basic и приобретение начальных навыков разработки программного обеспечения для операционных систем  Windows.

В данной курсовой работе требуется вычислить дифференциальное уравнение способами Эйлера и Эйлера модифицированный:

Результаты вычислений должны содержать:

- точное значение уравнения

- приближенные значения

- графики

Решение обыкновенных дифференциальных уравнений. Задача Коши

Существует множество технических систем и технологических процессов, характеристики которых непрерывно меняются со временем t. Такие явления обычно подчиняются физическим законам, которые формулируются в виде дифференциальных уравнений.

Дифференциальными называются уравнения, содержащие одну или несколько производных. Лишь очень немногие из них удаётся решить без помощи вычислительной техники. Поэтому численные методы решения дифференциальных уравнений играют важную роль в практике инженерных расчётов.

В зависимости от числа независимых переменных и типа входящих в них производных дифференциальные уравнения делятся на две существенно различные категории: обыкновенные, содержащие одну независимую переменную и производные по ней, и уравнения в частных производных, содержащие несколько независимых переменных и производные по ним, которые называются частными. В этой главе рассматриваются методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений.

Постановка задачи

Чтобы решить обыкновенное дифференциальное уравнение, необходимо знать значения зависимой переменной и (или) её производных 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. Часто в задаче Коши в роли независимой переменной выступает время.

Задачу Коши можно сформулировать следующим образом.

Пусть дано дифференциальное уравнение      и начальное условие y(x0) = y0.  Требуется найти функцию y(x), удовлетворяющую как указанному уравнению, так и начальному условию.

Численное решение задачи Коши сводится к табулированию искомой функции.

График решения дифференциального уравнения называется интегральной кривой.

Геометрический смысл задачи:

 - тангенс угла наклона касательной к графику решения в точке (x, y) к оси ОХ, - угловой коэффициент (рис.1).

Существование решения:

Если правая часть f(x,y) непрерывна в некоторой области R, определяемой неравенствами

|xx0| < a ;  |yy0| < b ,

то существует, по меньшей мере, одно решение  y = y(x), определённое в окрестности  |xx0| < h, где h – положительное число.

Это решение единственно, если в R выполнено условие Липшица

где N – некоторая постоянная (константа Липшица), зависящая, в общем случае, от a и b. Если f(x, y)имеет ограниченную производную  в R, то можно положить

N = max||    при    .

Численные методы решения задачи Коши

При использовании численных методов выполняется замена отрезка [x0, X] – области непрерывного изменения аргумента х множеством , состоящего из конечного числа точек  x0 < x1 < … < xn = X – сеткой.

При этом xi называют узлами сетки.

Во многих методах используются равномерные сетки с шагом 

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.

                                 (4.1)

Численное 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 отыскания 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 Милна, Адамса – Башфорта и Хемминга.
  •  Явные методы, в которых функция Ф в выражении (4.1) не зависит от yn+1.
  •  Неявные методы, в которых функция Ф зависит от yn+1.

Метод Эйлера

Иногда этот метод называют методом Рунге-Кутта первого порядка точности.

Данный метод одношаговый. Табулирование функции происходит поочередно в каждой точке. Для расчета значения функции в очередном узле необходимо использовать значение функции в одном предыдущем узле.

Пусть дано дифференциальное уравнение первого порядка

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.

Проведем 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.  Произведем замену точки интегральной функции точкой, лежащей на касательной AB.

Тогда yi+1 = yiy (2).

Из прямоугольного треугольника АВС  (3).

Приравняем правые части (1) и (3). Получим .

Отсюда

Подставим в это выражение формулу (2), а затем преобразуем его. В результате получаем формулу расчета очередной точки интегральной функции:

    (4).

Рисунок 2. Метод Эйлера.

Из формулы (4) видно, что для расчета каждой следующей точки интегральной функции необходимо знать значение только одной предыдущей точки. Таким образом, зная начальные условия, можно построить интегральную кривую на заданном промежутке.

Метод Эйлера – один из простейших методов численного решения обыкновенных дифференциальных уравнений. Но существенным его недостатком является большая погрешность вычислений. На рисунке 2 погрешность вычислений для i-го шага обозначена ε. С каждым шагом погрешность вычислений увеличивается.

Метод Эйлера модифицированный

Для уменьшения погрешности вычислений часто используется модифицированный метод Эйлера. Этот метод имеет так же следующие названия: метод Эйлера-Коши или метод Рунге-Кутта  второго порядка точности.

Пусть дано дифференциальное уравнение первого порядка

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 .

При использовании модифицированного метода Эйлера шаг h делится на два отрезка.

Иллюстрации к решению приведены на рисунке 4.

Рисунок 4. Метод Эйлера модифицированный.

Проведем решение в несколько этапов.

1. Обозначим точки: A(xi, yi), C(xi+h/2, yi+h/2*f(xi,yi)) и B(xi+1, yi+1).

2. Через точку  А проведем прямую под углом α, где

3. На этой прямой найдем точку C(xi+h/2, yi+h/2*f(xi,yi)).

4. Через точку  С проведем прямую под углом α1, где

5. Через точку А проведем прямую, параллельную последней прямой.

6. Найдем точку В(xi+1, yi+1). Будем считать  В(xi+1, yi+1) решением дифференциального уравнения при x=xi+1.

7. После проведения вычислений, аналогичных вычислениям, описанным в методе Эйлера, получим формулу для определения значения yi+1:

.

Модифицированный метод Эйлера дает меньшую погрешность. На рисунке 4 это хорошо видно. Так величина ε1 характеризует погрешность метода Эйлера, а ε – погрешность метода Эйлера модифицированного.

Блок схема

Код программы.

Объявление переменных 

Dim x(50) As Single, y(50) As Single, yE(50) As Single, yT(50) As Single

Private y0 As Single

Private x0 As Single

Private xk As Single

Задание функции

Function f(t As Single, q As Single) As Single

f = -q / (1 + t ^ 2)

End Function

Задание переменных

x0 = Val(Text1.Text)

xk = Val(Text2.Text)

y0 = Val(Text4.Text)

h = Val(Text3.Text)

N = Round((xk - x0) / h)

Форматирование таблицы

MSFlexGrid1.Rows = N + 2

MSFlexGrid1.TextMatrix (0, 0) = "X"

MSFlexGrid1.TextMatrix (0, 1) = "Y"

MSFlexGrid1.TextMatrix (0, 2) = "YE"

MSFlexGrid1.TextMatrix (0, 3) = "YT"

Решение методами

Max = 1

Min = 0.8

y(0) = y0

yE(0) = y0

yT(0) = y0

For i = 0 To N

x(i) = x0 + i * h

y(i + 1) = Round(y(i) + f(x(i), y(i)) * h, 4)

yE(i + 1) = Round(yE(i) + f(x(i) + h / 2, yE(i) + h / 2 * f(x(i), yE(i))) * h, 4)

yT(i) = Round(Exp(-Atn(x(i)) + 0.7854), 4)

If yT(i) > Max Then Max = yT(i)

If yT(i) < Min Then Min = yT(i)

MSFlexGrid1.TextMatrix (i + 1, 0) = Str(x(i))

MSFlexGrid1.TextMatrix (i + 1, 1) = Str(y(i))

MSFlexGrid1.TextMatrix (i + 1, 2) = Str(yE(i))

MSFlexGrid1.TextMatrix (i + 1, 3) = Str(yT(i))

Next i

Построение графиков

Picture1.Cls

kx = (Picture1.Width - 1200) / (xk - x0)

ky = (Picture1.Height - 1000) / (Max - Min)

Label4.Caption = Str(Min)

Label5.Caption = Str(Max)

Label6.Caption = Str(x0)

Label7.Caption = Str(xk)

For i = 0 To N - 1

z1 = Round(720 + (x(i) - x0) * kx)

z2 = Round (5400 - (y(i) - Min) * ky)

z3 = Round (5400 - (yE(i) - Min) * ky)

z4 = Round (5400 - (yT(i) - Min) * ky)

z5 = Round (720 + (x(i + 1) - x0) * kx)

z6 = Round (5400 - (y(i + 1) - Min) * ky)

z7 = Round (5400 - (yE(i + 1) - Min) * ky)

z8 = Round (5400 - (yT(i + 1) - Min) * ky)

Picture1.Line (z1, z2)-(z5, z6), vbGreen

Picture1.Line (z1, z3)-(z5, z7), vbRed

Picture1.Line (z1, z4)-(z5, z8)

Next i

End Sub

Выход из программы

Private Sub Command2_Click()

End

End Sub

Проверка в пакете MathCad.

Формы программы

Заключение.

По результатам проведённой мной работы я выяснил, что решение дифференциальных уравнений предпочтительно модифицированным методом Эйлера, так как он является наиболее точным.

Литература

  1.  А.Ф.Грачев, В.В.Историна «Курсовой проект, курсовая и реферативная работа», методические указания.

  1.  В.А.Добряк, В.Д.Нехорошев «Ваша первая программа на Microsoft V. Basic».

  1.  Г.М.Финтенгольц  «Курс дифференциального и интегрального исчисления».

4.Н.В.Макарова учебник «Информатика».


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

80490. ДЕРЖАВА І ПРАВО УКРАЇНИ В УМОВАХ НОВОЇ ЕКОНОМІЧНОЇ ПОЛІТИКИ (1921 — початок 1929 рр.) 59.71 KB
  Формально правову основу організації та діяльності державного механізму республіки на початку 20х років визначала Конституція УСРР 1919 р. розпочалася робота з підготовки реформи адміністративнотериторіального устрою УСРР де все ще зберігалися волості повіти і губернії. закладалися правові основи адміністративнотериторіальної реформи УСРР.
80491. ДЕРЖАВА І ПРАВО УКРАЇНИ В ПЕРІОД ТОТАЛІТАРНО-РЕПРЕСИВНОГО РЕЖИМУ (1929-1941 рр.) 208 KB
  Правовий статус України її місце у складі союзної держави Союзу РСР були законодавчо закріплені як в Конституції СРСР 1924 р. Слід мати на увазі що Всеукраїнський з\'їзд керувався директивами Комуністичної партії та постановами Всесоюзних зїздів Рад і ЦВК СРСР. вона мала право: видавати декрети постанови і розпорядження ті з них які визначали загальні норми економічного та політичного життя або вносили докорінні зміни в практику діяльності установ республіки підлягали затвердженню сесією ВУЦВК; припиняти дію і відміняти постанови...
80492. ДЕРЖАВА ТА ПРАВО КИЇВСЬКОЇ РУСІ ( VI – початок XIII ст. ) 202 KB
  ВСТУП ДО КУРСУ ІСТОРІЯ ДЕРЖАВИ ТА ПРАВА УКРАЇНИ. План: Вступ до курсу історія держави та права України. ПРЕДМЕТ ІСТОРІЇ ДЕРЖАВИ І ПРАВА УКРАЇНИ Що ж являє собою історія держави і права України Це наукова дисципліна яка вивчає: еволюцію української державної традиції в цілому; розвиток механізмів державної влади в Україні; зародження та функціонування правової системи в цілому і окремих галузей права України. Історія держави і права України вивчає факти і виявляє закономірності історичного розвитку її перш за все цікавлять юридичні...
80495. ЛИТОВСЬКО-РУСЬКА ДЕРЖАВА ТА ПРАВО (друга пол. XIV - перша пол. XVI ст.) 67.08 KB
  Державною мовою тут була давньоруська близька до української та білоруської Руська правда стала основним джерелом права литовська знать хреститься руськими іменами приймає православну віру. Йому підлягали старости військо був вищою апеляційною інстанцією в судових справах мав виключне право надання в користування земельних володінь. Московські політики твердили про спадкові права московських князів про шапку Мономаха яка ніби то доводить їхні спадкові права на Візантію і на Київ. Придбання шляхтичем маєтку не позбавляло селян що...
80496. Господарство та економічна думка суспільства Європейської цивілізації в період Середньовіччя ( V – XV ст.) 63.5 KB
  Загальна характеристика господарства Європи в V – XV ст. Особливості розвитку сільського господарства. Загальна характеристика господарства Європи в V – XV ст. Господарство Середньовіччя характеризується такими загальними ознаками: панування приватної власності основою якої була земля у формі феода умовнослужбове спадкове надання що дало назву системі господарства; монополія феодалів на землю яка виявлялася в принципі Немає землі без сеньйора умовний характер ієрархічна структура земельної власності що ґрунтувалася на васальних...
80497. Формування передумов ринкової економіки в країнах Європейської цивілізації (XVI – перша половина XVII ст.) 54.5 KB
  Основні аспекти розвитку господарства країн Західної Європи. Особливості економічного розвитку країн Центральної ПівденноСхідної і Східної Європи. Основні аспекти розвитку господарства країн Західної Європи Протягом 1618 ст. В економічному розвитку Західної Європи велику роль відіграли географічні відкриття кінця ХV початку XVI ст.
80498. Розвиток ринкового господарства в період становлення національних держав (друга половина XVII - перша половина XIX ст.) 113.5 KB
  Петті не був послідовним у своїй теорії трудової вартості. Звідси він змішує абстрактну працю як джерело вартості з конкретною працею як джерелом споживної вартості. Дійсно у створенні споживної вартості беруть участь і праця і земля: Труд – батько багатства земля – його мати . Але джерелом вартості згідно з теорією трудової вартості може бути тільки праця.