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

16 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

75821. Системный блок. Звуковая карта, сетевая карта. Колонки. Источник бесперебойного питания 40.27 KB
  Блок питания Блок питания нужен компьютеру для преобразования и передачи энергии к элементам компьютера. Однако есть и недостатки: затрудняется обслуживание усилителя так как акустическая система может быть установлена в труднодоступном месте например быть подвешена на некоторой высоте...
75823. Финансовая реформа Петра I 246.75 KB
  Указом 1 марта 1698 года Пётр I подтвердил указы своих предшественников на право городов собирать стрелецкие то есть деньги собираемые с городского населения и оброчные деньги выборными земскими старостами волостными судьями и целовальниками состоявшими в земских избах в обход воевод и приказных людей.
75824. Комплекс производственной гимнастики 23.6 KB
  В комплекс вводной гимнастики обычно включают следующие компоненты: Ходьба; Упражнения на поддерживание с глубоким дыханием; Упражнения для мышц туловища и плечевого пояса наклоны повороты туловища с большой амплитудой и активными движениями рук...
75825. Влияние гаджетов на здоровье человека 66.6 KB
  Психические расстройства. Психические расстройства. Электромагнитные волны негативно действуют на работу всего организма и могут вызвать головную боль бессонницу и даже расстройства иммунной системы. Психические расстройства Нарциссические расстройства...
75826. Гимнастическая терминология 2.4 MB
  Любое из упражнений многофункционально и располагает возможностями избирательного и регламентированного воздействия на функции разных органов и систем организма, двигательные и психические способности.
75827. Источники и ход эмбрионального развития вторичной почки. Формирование нефрона 405.38 KB
  Первичная почка формируется из большого числа сегментных ножек( до 25), расположенных в области туловища зародыша. Сегментные ножки отшнуровываются от сомитов и спланхнотома и превращаются в канальцы первичной почки.
75828. ПСИХОЛОГИЯ ЛЮБВИ 67 KB
  Любовь по Шекспиру «безумство от угара», по Пушкину «веселье жизни хладной». Многие великие умы человечества пытались постичь природу и сущность любви. Однако до сей поры никто так и не вывел универсальную формулу любви, лекарство от нее и не объяснил, почему она возникает, и почему исчезает.
75829. Инструментарий технологии программирования 19.18 KB
  Инструментарий технологии программирования обеспечивает процесс разработки программ и включает специализированные программные продукты являющиеся инструментальными средствами разработчика которые поддерживают все технологические этапы процесса проектирования программирования...