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

46 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

30228. Формирование информационной среды общества 33 KB
  Формирование информационной среды общества Современное общество не может существовать в условиях сенсорного голода для его развития и саморганизации совершенно необходимо всеобъемлющее информационное поле. Например 1012 это требующий кардинальных решений порог уровня безработицы в обществе 14 это коэффициент характеризующий катастрофическое соотношение доходов 10 самых богатых и 10 самых бедных членов общества. Наиболее важным понятием которое необходимо определить при изучении информационной среды общества является понятие...
30229. Информационный образ жизни: общество и личность в условиях информатизации 37.5 KB
  Проблемы адаптации людей с ограниченными физическими возможностями в современной информационной среде. Например: во многих странах мира для слепых и слабовидящих людей широко применяются специальные синтезаторы позволяющие осуществлять голосовой ввод информации; практически полностью потерявшие подвижность могут осуществляють работу на компьютере ввод информации движением глаз при помощи специальных шлемов. В России создана специальная программа по компьютерной технике адаптированной для лиц имеющих различные физические отклонения...
30230. Постиндустриальное, информационное общество: социальная структура и специфика трудовой деятельности 22 KB
  Однако следует отметить что проблема âатомизацииâ общества обсуждается сегодня учеными все шире [1]. Поскольку получение информации о происходящем в стране и в мире уже не требует прямого общения между людьми человек может все больше и больше изолироваться от общества подвергаться иллюзии независимости от него. Американские исследователи отмечают что âконвергенция меняющихся общественных и личных ценностей с новой техникой и энергоэкономическими нуждами делает становление мозаичного общества по существу неизбежнымâ[2]. Проблема...
30231. Социальная информатика: предмет и задачи курса 29 KB
  Одним из критериев перехода общества к постиндустриальной и далее к информационной стадии развития может служить процент населения занятого в сфере услуг: если в обществе более 50 населения занято в сфере услуг наступила постиндустриальная фаза его развития; если в обществе более 50 населения занято в сфере информационных услуг общество стало информационным. Концепция постиндустриального общества как общесоциологическая теория развития достаточно глубоко разработана западными исследователями: Д. Понятие...
30232. Семантические основы социальной информатики 56 KB
  Нередко в этих теоретических построениях термин информация наполнен разным смыслом а следовательно сами теории высвечивают лишь часть граней некоторой системы знаний которую можно назвать общей теорией информации или информологией наукой о процессах и задачах передачи распределения обработки и преобразования информации. Формализация знаний: методы и приемы. При поиске наиболее удобных рациональных средств и форм информационного обмена человек чаще всего сталкивается с проблемой компактного и...
30233. Социальные коммуникации: история, современность, перспективы 22.5 KB
  Когда информационная среда рассматривается с точки зрения хранимой и циркулирующей в ней информации она как правило выступает как объект техники служащей определенным человеческим целям которые выступают по отношению к этой технике внешними условиями функционирования. Опираясь на количественные меры математической теории информации Робертсон ранжирует цивилизации по количеству производимой ими информации следующим образом : Уровень 0 информационная емкость мозга отдельного человека 107 бит; Уровень 1 устное общение внутри...
30234. Информационные ресурсы общества 25.5 KB
  Информационный кризис начала 70х годов ХХ века проявился в снижении эффективности информационного обмена: резко возрос объем публикуемых данных; между группами разных специалистов стало трудно общаться; возрос объем неопубликованной информации; выросла проблема межязыкового обмена в мире. информационного âвзрываâ лавинообразного роста объемов социоинформации сопровождающегося информационным âголодомâ физиологическими ограничениями человека в восприятии и переработке информации и трудностями в выделении нужной информации из...
30235. Понятие и структура оборотных фондов предприятий СКСиТ 89 KB
  Понятие об оборотных средствах их классификация. ОБОРОТНЫЕ СРЕДСТВА Текущие активы денежные средства вложенные в оборотные производственные фонды и фонды обращения. Состав оборотных средств: денежные средства наиболее ликвидная часть оборотных активов. Это денежные средства в кассе и денежные средства в банках в т.
30236. Расчет себестоимости туристского продукта и услуг социально-культурного сервиса 50.5 KB
  Но если цена продукции зависит от ситуации которая складывается на рынке то затраты на ее производство непосредственно зависят от финансовохозяйственной деятельности самого предприятия. Следовательно совокупные затраты предприятия представляют собой издержки производства и издержки обращения и они лежат в основе определения себестоимости продукции работ услуг. При определении себестоимости общего объема выпуска продукции все затраты группируются по принципу однородности по следующим элементам: материальные затраты за вычетом...