30052

Визуализация численных методов

Курсовая

Информатика, кибернетика и программирование

Поэтому численные методы решения дифференциальных уравнений играют важную роль в практике инженерных расчетов. Курсовая работа должно состоять из: программы написанной в Visual Basic которая решает дифференциальное уравнение и выводит решения уравнения полученные методом Эйлера модифицированного и методом РунгеКутта четвёртого порядка точности. И визуализирует их на графике в виде линий кривой прямой; пояснительной записки которая описывает методы решения и программу. Результаты решения предоставить в виде таблицы.

Русский

2013-08-22

588 KB

7 чел.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО СВЯЗИ

ГОУ ВПО «СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУИКАЦИЙ И

ИНФОРМАТИКИ»

Уральский технический институт связи и информатики(филиал)

Курсовая работа по информатике

На теме: «Визуализация численных методов»

                                      

                                                 Выполнил: Савин Егор Андреевич
группа СЕ-81

                                 Руководитель: Тюпина Оксана Михайловна

                                                      

          

Екатеринбург

2009

Содержание

Введение                                                                        3

1. Постановка задачи и математическая модель                4

2. Описание используемых методов                                 6

           2.1. Метод Эйлера модифицированный                 6

           2.2. Метод Рунге-Кутта 4-го порядка                   8

3. Блок-схемы основных процедур                                 11

           3.1. Блок-схема основной процедуры                 13

           3.2. Блок-схема  функции                                  14

4. Виды формы проекта                                                 14

    4.1.Исходный вид для ввода данных                  14

           4.2.Итоговый вид с предоставленным решением и графиком                                                                            15

5. Листинг программы на языке Visual Basic                  16

6. Решение задачи в MathCAD                                       18

Вывод                                                                          19


Введение

Существует множество технических систем и технологических процессов, характеристики которых непрерывно меняются с течением времени. Такие явления обычно подчиняются физическим законам, которые формулируются в виде дифференциальных уравнений. И поэтому умение решать дифференциальные уравнения является необходимым фактором, для того чтобы наиболее полно понимать окружающий мир и процессы, происходящие в нём.

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

Целью данной курсовой работы по теме «Визуализация численных методов» является решение дифференциального уравнения 1-го порядка  на отрезке  методом Эйлера и методом Рунге-Кутта четвёртого порядка точности. Выполнив все расчёты выяснить, какой из методов более точный, сравнив выведенные значения с общим решением.

Курсовая работа должно состоять из:

  1.  программы, написанной в Visual Basic, которая решает дифференциальное уравнение и выводит решения уравнения, полученные методом Эйлера модифицированного и методом Рунге-Кутта четвёртого порядка точности. И визуализирует их на графике в виде линий (кривой, прямой);
  2.  пояснительной записки, которая описывает методы решения и программу.

 

Постановка задачи и математическая модель

Постановка задачи

Дано дифференциальное уравнение ием и начальное условие . Требуется найти функцию , удовлетворяющую как указанному уравнению, так и начальному условию. Результаты решения предоставить в виде таблицы. Данные таблицы визуализировать на форме в виде графиков.

Математическая модель

Дано: 

дифференциальное уравнение:

общее решение:

Найти:

Y - массив значений искомого решения в узлах сетки.


2. Описание используемых методов

2.1. Метод Эйлера модифицированный.

Для уменьшения погрешности вычислений метода Эйлера 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 .

Выберем шаг =0,1 и введём обозначения:

и , где  =0,1,2…,

                                    -узлы сетки,

                                    -значение интегральной функции в узлах.

При использовании модифицированного метода Эйлера шаг  делится на два отрезка.

Проведём решение в несколько этапов. Обозначим точки А(,), С(, и В. Через точку А проведём прямую под углом , где

                           .

На этой прямой найдём точку С(,. Через точку С проведём прямую под углом, где

                   ,.

Через точку А проведём прямую, параллельную последней прямой.

Найдём точку В. Будем считать В решением дифференциального уравнения при .

После проведения некоторых вычислений, получим формулу для определения значения :

.

Модифицированный метод Эйлера дает меньшую погрешность, нежели метод Эйлера. Величина  характеризует погрешность метода Эйлера модифицированного.


2.2. Метод Рунге-Кутта 4-го порядка.

Для большего уменьшения погрешности используется метод Рунге-Кутта четвёртого порядка точности(метод Рунге-Кутта).

Пусть дано дифференциальное уравнение первого порядка

с начальным условием .

Выберем шаг =0,1 и введём обозначения:

и , где  =0,1,2…,

                               -узлы сетки,

                               -значение интегральной функции в узлах.

     

При использовании модифицированного метода Рунге-Кутта шаг  делится на четыре отрезка. Согласно этому методу, последовательные значения  исходной функции  определяются по формуле:

, где

,

А числа    на каждом шаге вычисляются по формулам:

 Это явный четырёхэтапный метод четвёртого порядка точности.

 Метод Рунге-Кутта даёт погрешность меньше, чем методы Эйлера и Эйлера модифицированного.

Все методы Рунге-Кутта легко программируются и обладают значительной точностью и устойчивостью для широкого круга задач.


3. Блок-схемы основных процедур

3.1. Блок-схема основной процедуры.

3.2. Блок-схема  функции.


4. Виды формы проекта

    4.1. Исходный вид для ввода данных.

    

4.2. Итоговый вид с предоставленным решением и графиком.


5. Листинг программы на языке
Visual Basic

Dim x(50) As Single, y(50) As Single, m(50) As Single, s(50)    As Single

Private x0 As Single

Private xk As Single

Dim k1, k2, k3, k4, y0 As Single

Dim n As integer

Function f(t, p As Single) As Single

f = t * Exp(-t ^ 2) - 2 * t * p

End Function

Private Sub Command1_Click()

x0 = Val(Text1.Text)

xk = Val(Text2.Text)

h = Val(Text3.Text)

y0 = Val(Text4.Text)

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

c = y0 / Exp(-x0 ^ 2) - x0 ^ 2 / 2

MSFlexGrid1.Rows = n + 2

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

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

MSFlexGrid1.TextMatrix(0, 2) = "Y-R4"

MSFlexGrid1.TextMatrix(0, 3) = "Y-EM"

Max = 0

Min = x0

y(i) = y0

s(i) = y0

For i = 0 To n

x(i) = x0 + i * h

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

m(i) = Exp(-x(i) ^ 2) * (c + x(i) ^ 2 / 2)

m(i) = Round(m(i), 7)

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

k1 = h * f(x(i), y(i))

k2 = h * f(x(i) + h / 2, y(i) + k1 / 2)

k3 = h * f(x(i) + h / 2, y(i) + k2 / 2)

k4 = h * f(x(i) + h, y(i) + k3)

y(i + 1) = y(i) + (k1 + 2 * k2 + 2 * k3 + k4) / 6

y(i) = Round(y(i), 7)

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

s(i + 1) = s(i) + h * f(x(i) + h / 2, s(i) + h / 2 * f(x(i), s(i)))

s(i) = Round(s(i), 7)

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

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

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

Next i

Picture1.Cls

kx1 = (Picture1.Width - 1650) / (xk - x0)

ky1 = (Picture1.Height - 1050) / (Max - Min)

kx2 = (Picture1.Width - 1665) / (xk - x0)

ky2 = (Picture1.Height - 1050) / (Max - Min)

kx3 = (Picture1.Width - 1740) / (xk - x0)

ky3 = (Picture1.Height - 1050) / (Max - Min)

Label5.Caption = Str(Max)

Label6.Caption = Str(Min)

Label7.Caption = Str(x0)

label8.Caption = Str(xk)

For i = 1 To n - 1

z1 = Round(120 + (x(i) - x0) * kx1)

z2 = Round(3960- (m(i) - Min) * ky1)

z3 = Round(120 + (x(i + 1) - x0) * kx1)

z4 = Round(3960 - (m(i + 1) - Min) * ky1)

Picture1.Line (z1, z2)-(z3, z4), vb Green

z1 = Round(120 + (x(i) - x0) * kx2)

z2 = Round(3960 - (y(i) - Min) * ky2)

z3 = Round(120 + (x(i + 1) - x0) * kx2)

z4 = Round(3960 - (y(i + 1) - Min) * ky2)

Picture1.Line (z1, z2)-(z3, z4), vb Red

z1 = Round(120 + (x(i) - x0) * kx3)

z2 = Round(3960 - (s(i) - Min) * ky3)

z3 = Round(120 + (x(i + 1) - x0) * kx3)

z4 = Round(3960 - (s(i + 1) - Min) * ky3)

Picture1.Line (z1, z2)-(z3, z4), vb Yello

Next i

End Sub

Private Sub Command2_Click()

End

End Sub
6. Решение задачи в
MathCAD

Вывод

В данной курсовой работе я работал над визуализацией численных методов. Мною была разработана программа, которая наглядно описывает решение дифференциального уравнения методом Эйлера модифицированного и методом Рунге-Кутта четвёртого порядка точности.      

По получившейся таблице, состоящей из четырёх столбцов (столбца значений Х, столбца общего решения, столбца решения методом Эйлера  модифицированного, столбца решения методом Рунге-Кутта четвёртого порядка точности), видно, что значения столбца решения методом Рунге-Кутта почти не отличается от значений столбца общего решения, а значения столбца решения методом Эйлера модифицированного отличаются от значений столбца общего решения уже на четвёртом знаке.

На графике, построенном в Visual Basic, наглядно показаны решения дифференциального уравнения .

Так как значения общего решения и значения решения методом Рунге-Кутта четвёртого порядка точности почти совпадают, то и их кривые также почти совпадают. А кривая решения методом Эйлера модифицированного отличается от кривой общего решения на большее расстояние, чем кривая решения методом Рунге-Кутта.

Сравнив решения, полученные методом Эйлера модифицированного и методом Рунге-Кутта четвёртого порядка точности, с общим решением можно сделать следующий вывод: наиболее точное решение дифференциального уравнения даёт метод Рунге-Кутта четвёртого порядка точности, а метод Эйлера модифицированного даёт погрешность намного большую.

Данная работа позволила мне закрепить навыки работы в приложениях, изучаемых на 1-ом курсе по информатике.

Курсовая работа на тему: «Визуализация численных методов» выполнена в соответствии с указаниями преподавателя.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

82353. Разработка мероприятия по повышению эффективности управления мотивацией персонала ресторана «Охотников» 698 KB
  Мотивация — соотношение между поведением человека и причинами, которые обусловливают это поведение; совокупность психологических явлений, в которых отражается наличие в человеческой психике определенной готовности, направляющей к достижению цели.
82354. Дизайн-проект кінологічного центру 1.74 MB
  Традиційні ветеринарні клініки, які функціонують в великих містах України, не зовсім відповідають сучасним тенденціям з утримання та розведення домашніх тварин. Домашні улюбленці, які якоюсь мірою стають членами сім’ї, потребують більш гнучкого підходу до їх утримання, особливо в середовищі великих міст, яким є Київ.
82355. ГЛАВНЫЕ ПЛОЩАДИ МИНСКА В РАЗРАБОТКЕ ЭКСКУРСИОННОГО МАРШРУТА 404 KB
  Цель работы – разработка экскурсионного маршрута по главным площадям Минска. Методы исследования: анализ и синтез, сравнение, исторический и логический, историко-сравнительный, метод описания. Результаты внедрения: маршрут внедрён и функционирует на базе туристической фирмы города Минска ТУП «ВЛБ-ТРЭВЕЛ».
82356. Разработка системы мониторинга радиоизлучений в районе железнодорожного вокзала 9.01 MB
  Цель проектирования - повышение эффективности обнаружения несанкционированных радиоизлучений. Обоснован состав переносного поста. Разработана структурная схема системы и взаимосвязь постов друг с другом и с центром антитеррористической деятельности. Произведен выбор необходимого оборудования и методика применения системы.
82357. Биоакустика птиц 247 KB
  Биоакустика – это наука, объединяющая биологию и акустику. Биоакустика занимается изучением звуковой сигнализации у животных, способов связи между животными, механизмов образования и восприятия у них звуков, а также принципов кодирования и декодирования передаваемой информации в живых...
82358. Интерактивная база данных по дендраклиматологии 465.5 KB
  5 Базы данных. Дендроклиматология пустила корни в летней школе в 2000 году за это время накоплено большое количество данных. В связи с этим появились цели структурировать базы данных накопленные в течение всего периода изучения дендроклиматологии в летней школе.
82359. Умерла ли басня? И если да, то почему? 162.5 KB
  Проблема современной басни. Сам собою напрашивается вопрос что у внимательного и любопытного читателя что у опытного литературоведа: неужели жанр басни изжил сам себя Между филологами XIX века возникла полемика о происхождении басни и приоритете одной из двух теорий её появления.
82360. Роль нефтяных ресурсов в экономике, промышленности и жизни современной цивилизации 1.15 MB
  Есть общепризнанное мнение, что почти все процессы в нашем современном мире напрямую связаны с нефтью. Люди активно используют её как топливо для средств передвижения, машин и различных механизмов, в химической промышленности, в энергетике.