30060

Визуализация численных методов путем написания программы на языке Visual Basic проверки решения с помощью приложения MathCAD

Книга

Информатика, кибернетика и программирование

Дифференциальным уравнением называются уравнения, связывающие независимую переменную, искомую функцию и ее производные. Решением дифференциального уравнения называется функция, которая при подстановке в уравнение обращает его в тождество. Лишь очень немногие из таких уравнений удается решить без помощи вычислительной техники

Русский

2016-08-04

144.5 KB

19 чел.

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И ИНФОРМАТИКИ

УРАЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ СВЯЗИ И

ИНФОРМАТИКИ

ФАКУЛЬТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ, ИНФОРМАТИКИ И УПРАВЛЕНИЯ

Курсовая работа

по информатике

на тему:

Визуализация численных методов. Решение обыкновенных дифференциальных  уравнений.

Руководитель:                                                                          Выполнил:

Минина Е. Е.                                                                             Садовой К.С.                                                                                         Группа №  ОЕ-71

Екатеринбург 2008г.

Содержание

Техническое задание…………………………………..………….-3-

1.Введение…………………………………………………………-4-

2.Постановка задачи………………………………………………-5-

3.Описание используемых методов……..……………………….-7-

4. Формы.………………………………………….………………-10-

5.  Блок-схемы ………………………………….…………...……-11-

6.  Решение задачи в MathCAD…………………………….....…-15-

7.Листинг программы……………………………………...……..-16-

8.Заключение……………………..……………………....………..-18-

Техническое задание

Решить дифференциальное уравнение

                             y' + y = cos(x)

c начальным условием y0 = 1 и общим решением

на отрезке х0 = 0  до хk =   с шагом h =  методом Эйлера и Рунге-Кутта.. 

Введение

Курсовой проект является важнейшей составляющей курса и первой объемной самостоятельной инженерно-расчетной работой студента. Курсовой проект завершает подготовку по дисциплине «Информатика» и становится базой для выполнения последующих курсовых проектов по специальным дисциплинам.

Темой курсового проекта является «Визуализация численных методов» путём:

  •  написания программы на языке Visual Basic;
  •  проверки решения с помощью приложения MathCAD.

В ходе выполнения курсовой работы предполагается решение дифференциального уравнения с помощью численных методов:

  •  метода Эйлера или метода Рунге-Кутта 1 порядка точности;
    •  метода Рунге-Кутта 4 порядка точности.

Дифференциальным уравнением называются уравнения, связывающие независимую переменную, искомую функцию и ее производные. Решением дифференциального уравнения называется функция, которая при подстановке в уравнение обращает его в тождество. Лишь очень немногие из таких уравнений удается решить без помощи вычислительной техники. Поэтому численные методы решения дифференциального уравнения играют важную роль в практике инженерных расчетов.

Если искомая функция зависит от одной переменной, то дифференциальное уравнение называют обыкновенным; в противном случае – дифференциальное уравнение в частных производных. В данной курсовой работе рассматриваются методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений.

Актуальность курсового проекта: в настоящее время можно решать дифференциальные уравнения с помощью различных приложений. Существует множество математических пакетов, например, MathCAD, Mathematica и другие, позволяющих решать дифференциальные уравнения. Не сложно решить их и в среде программирования Visual Basic, причем Visual Basic позволяет решать уравнения разными методами с требуемой точностью и представить результаты также наглядно, как и в математических пакетах.

2. Постановка задачи

В курсовой работе необходимо двумя методами (Эйлер, Рунге-Кутта) решить задачу Коши для дифференциального уравнения 1-го порядка y'+y=cos(x)   на отрезке [0,π/2] с шагом h=π/10 и начальным условием Y(X0)=Y0(1), Y0=1,  

Ответ должен быть получен в виде таблицы результатов:

X

Y(1)

Y(2)

Y(T)

X0

Y0(1)

Y0(2)

Y(X0)

X1

Y1(1)

Y1(2)

Y(X1)

Xk

Yk(1)

Yk(2)

Y(Xk)

Где: Y(1) , Y(2) - решения, полученные различными численными методами,

Y(T) – точное решение дифференциального уравнения.

Возможно представление результатов решения не в виде таблицы, а в виде списков.

Данные таблицы визуализировать на форме в виде графиков.

Перед вычислением последнего столбца таблицы результатов необходимо из начальных условий вычислить значение коэффициента С, используемого в общем решении.

Входные данные: x0, xk, y0, h.

Выходные данные: массив значений y в каждой точке узла.

3.Описание используемых методов

В тех случаях, когда решить уравнение сложно или невозможно, используют численные методы (приближенное решение).

В численных методах обязательно должны быть начальные условия, чтобы исключить константу. Численными методами мы должны построить интегральную кривую, т.е. график решения.

3.1 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.

       Для решения поставленной задачи выполняем следующие действия:

  •  Строим оси координат;
  •  Отмечаем точку A(1; 1) – первую точку интегральной кривой;
  •   Ищем угол наклона касательной к графику в точке A:

  •  Строим касательную AB в точке А под углом α0;
  •  Находим х1 по формуле: xi = х0 + ih, где h – шаг интегрирования

x1 = 1 + 1 · 0,1 = 1,1;

  •  Проводим прямую x = x1 = 1,1  до пересечения с прямой AB, отмечаем точку B(x1; y1);
  •  Ищем  y1:

Из прямоугольного треугольника ABC ,

Δy = y1 y0,

 y1 y0= Δx· tg α0

Δx = x1 – x0 = h => y1 = y0 + h · (f(x0; y0)) = 4 + 0,1  f(1;4) = 4 + 0,1 · 1,718 = 1,172

Следовательно, точка B имеет координаты (1,1; 1,172).

Следующую точку будем искать аналогичным способом по формуле расчета очередной точки интегральной функции:

(*)

Рис1. Решение задачи методом Эйлера.

Из формулы (*) 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.

3.2 Метод Рунге-Кутта

 

Для уменьшения погрешности вычислений используется и метод Рунге-Кутта. Этот метод имеет так же название метод Рунге-Кутта четвертого порядка точности.

Для решения поставленной задачи выполняем следующие действия:

  •  Строим оси координат;
  •  Отмечаем А(1; 1) – первую точку интегральной кривой;
  •  Ищем угол наклона касательной к графику в точке A:

  •  Строим касательную AB в точке А под углом α0;
  •  Находим х1 по формуле: xi = х0 + ih, где h – шаг интегрирования

x1 = 1 + 1 · 0,1 = 1,1;

  •  Делим шаг интегрирования на четыре отрезка и отмечаем x1/4= x0 + h/4, проводим прямую из этой точки  до прямой AB, отмечаем точку B(x1/4; y1/4);
  •  Ищем координаты В:

x1/4 = x0 + h/4 = 1 + 0,1/2 = 1,05

y1/4 = y0 + h/4 · f(x0; y0) = 1 + 0,1/2 · 1,718 = 1,086

Следовательно, точка B имеет координаты (1,05; 1,086);

Ищем угол наклона касательной к графику в точке B:

α1 = arctg(f(x1/4; y1/4)) = arctg(( 1,718– 1,086)/1,05)) = arctg(1,687) = 59,3°

  •  Строим касательную BC в точке B под углом α1;
  •  Проводим прямую x1 = 1,1 до пересечения с прямой BC,   отмечаем точку C с координатами (x1; y1);
  •  Ищем y1 :

y1 = y1/4 + h/4(f(x1/4;y1/4)) = 1,086 + 0,1/2 · 1,687 = 1,169

Следовательно, точка C имеет координаты (1,1; 1,169).

yi+1 = yi + hf(xi + h/4, yi + h/4 ∙ f(xi, yi))

Рис2.  Решение задачи методом Рунге-Кутта

4. Формы

   

6.Решение задачи в MathCad

7.Листинг программы

Dim x(50) As Single

Dim y(50) As Single

Dim y1(50) As Single

Dim y2(50) As Single

Private y0 As Single

Private x0 As Single

Private xk As Single

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

f = Cos(l) - q

End Function

Private Sub Command1_Click()

x0 = Val(Text1.Text)

xk = Val(Text2.Text)

y0 = Val(Text4.Text)

h = Val(Text3.Text)

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

MSFlexGrid1.Rows = N + 2

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

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

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

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

Max = 1

Min = 0.55

y(0) = y0

y1(0) = y0

y2(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)

K1 = h * f(x(i), y1(i))

K2 = h * f(x(i) + h / 2, y1(i) + K1 / 2)

K3 = h * f(x(i) + h / 2, y1(i) + K2 / 2)

K4 = h * f(x(i) + h, y1(i) + K3)

K = (K1 + 2 * K2 + 2 * K3 + K4) / 6

y1(i + 1) = y1(i) + K4

y2(i) = Round(0.5 * Exp(-x(i)) + ((Cos(x(i)) + Sin(x(i))) / 2), 4)

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

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

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

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

MSFlexGrid1.TextMatrix(i + 1, 2) = Str(y1(i))

MSFlexGrid1.TextMatrix(i + 1, 3) = Str(y2(i))

Next i

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 - (y1(i) - Min) * ky)

z4 = Round(5400 - (y2(i) - Min) * ky)

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

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

z7 = Round(5400 - (y1(i + 1) - Min) * ky)

z8 = Round(5400 - (y2(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

Private Sub Command2_Click()

End

End Sub


8.Заключение

В ходе выполнения курсовой работы  я решила дифференциальное уравнение с помощью численных методов:

а) метода Эйлера или метода Рунге-Кутта 1 порядка;

б) метода Рунге-Кутта 4 порядка.

Метод Эйлера – наиболее простой метод численного решения обыкновенных дифференциальных уравнений, но его недостаток - большая погрешность вычислений, которая с каждым шагом вычислений увеличивается.

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

В пояснительной записке приведены блок-схемы основных процедур, листинг и формы программы на языке Visual Basic.

Правильность решения проверила с помощью математического пакета MathCAD.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

21178. Алгебраїчні доповнення. Обчислення детермінантів 341.5 KB
  Означення алгебраїчного доповнення елементу детермінанта. Такий детермінант називається алгебраїчним доповненням елемента даного детермінанта і позначається як : 6. Детермінант дорівнює сумі добутків елементів будьякого рядка детермінанта на їх алгебраїчні доповнення.3 Доведення: Додамо до кожного елементу mго рядка детермінанта 6.
21179. Ранг матриці. Елементарні перетворення матриці 204 KB
  Елементарні перетворення матриці. Визначення рангу матриці. Такий детермінант називається мінором матриці kго порядка.
21180. Системи лінійних алгебраїчних рівнянь загального виду. Теорія Кронекера-Капеллі. Метод Гаусса 237.5 KB
  Система називається сумісною якщо вона має хоча б один розв язок тобто хоча б один стовпець який перетворює рівняння 9.1 в тотожність і несумісною якщо вона не має розв язків. Система називається означеною якщо вона має один розв язок і неозначеною якщо вона має розв язків більше одного. Аналіз систем рівнянь повинен дати відповідь на два питання чи сумісна система тобто чи має вона розв язок і якщо сумісна то чи вона означена чи ні.
21181. Лінійні простори. Базис. Розмірність. Ізоморфізм просторів 366 KB
  Але наприклад множина додатніх чисел не утворює лінійного простору по відношенню до звичайних операцій додавання та множення бо в цьому разі нема протилежного числа воно повинно бути відємним а значить не буде належати цій множині. Але множина векторів з якої вилучені вектори колінеарні заданій прямій не утворює лінійного простору бо завжди можна знайти такі два вектори які в сумі дадуть вектор колінеарний цій прямій тобто сума не буде належати множині. 4 Множина матриць заданого розміру якщо додавання матриць та множення на...
21182. Перехід до нового базису. Орієнтація базиса. Скалярний добуток. Евклідовий простір 361.5 KB
  Орієнтація базиса. Перехід до нового базиса. Хай в пвимірному лінійному просторі вибрані два базиса: та .2 Таким же чином і кожний вектор базиса можна розкласти по базису : .
21183. Нормовані простори. Ортонормований базис. Процес ортогоналізації 336.5 KB
  Ортонормований базис. А значить в пмірному просторі п попарно ортогональних елементів можна брати як базис. Такий базис називається ортогональним. Ортонормований базис.
21184. Пряма на площині. Рівняння площини 385.5 KB
  Це є вектор перпендикулярний до прямої. Задання прямої за допомогою нормального вектора базується на теоремі про те що через задану точку можна провести лише одну пряму перпендикулярну заданій прямій. Пряма з нормальним вектором Умовою перпендикулярності прямої і вектора є рівність нулю скалярного добутку 14.3 повністю задає пряму тобто кожна поточна точка прямої відповідає цьому рівнянню.
21185. Векторний та змішаний добутки векторів. Площина та пряма в просторі 522 KB
  У множині геометричних векторів можна ввести так званий векторний добуток двох векторів коли кожній парі векторів співставляється третій вектор який і називається їх добутком: . Вектор направлений перпендикулярно площині в якій лежать вектори і і в таку сторону щоб трійка векторів складала праву трійку інакше кажучи щоб ці вектори були орієнтовані по правилу правої руки Рис.1 Векторний добуток векторів Довжина вектора визначається за формулою 15.
21186. Лінійні оператори. Матриця оператора 476.5 KB
  Лінійні оператори. Матриця оператора. Лінійні оператори.