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

35412. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ЛИТОГРАФИЯ 331.82 KB
  Плотность тока при экспозиции составляет около 105 А см2 в случае использования фотокатодов из йодида цезия имеющего наибольший срок службы. В этом случае освещающий луч фокусируется на маске а не проходит через нее освещая ее целиком как это имеет место в проекционной системе. Ходом луча управляет специальный микропроцессор или ЭВМ. Результаты этого пооцесса получаются удовлетворительными только в том случае если отверстия в резисте имеют подтравленные стенки.
35413. Превращения энергии при свободных затухающих электромагнитных колебаниях. Функции энергии электрического и магнитного полей от времени 197.5 KB
  Основные параметры волны: амплитуда частота фаза период волновое число длина волны фазовая скорость. При распространении волны частицы среды не движутся вместе с волной а колеблются около своих положений равновесия. Волны бывают продольные когда колебания происходят вдоль линии распространения волны и поперечные когда колебания происходят поперек этой линии Поперечные волны б Продольные волны Продольные волны могут распространяться исключительно в среде тогда как поперечные и в вакууме. Часто нам приходится сталкиваться с...
35414. Животноводческая ферма 414.16 KB
  Техническое обслуживание машины и оборудования животноводческих комплексов и ферм организуется с учетом особенностей хозяйств, которые можно разделить на три группы
35415. Проектирование информационных систем в среде Rational Rose 469.5 KB
  Для успешной реализации проекта объект проектирования «Приемное отделение стационара» должен быть прежде всего адекватно реализован в программной среде Rational Rose
35416. ВЫЧИСЛЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ ВЫРАЖЕНИЙ 88.5 KB
  ВАРИАНТ 13 Алгоритм: псевдокод Объявляем переменные alpha beta z1 z2; Считываем значения параметров и переводим их в радианы; Вычисление значения функций и вывод на экран. блоксхема НАЧАЛО alpha beta z1 z2 z1 = sinalpha cos2 beta alpha cosalpha sin2 beta alpha; z2 = 1 sin2 beta cos2 beta z1...
35417. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОПАДАНИЯ ТОЧКИ В ОБЛАСТЬ 85.07 KB
  Задание Согласно варианту №13 написать программу которая для вводимых координат точек определяет попадает ли точка в заштрихованную область на рисунке. Описание созданных функций Для реализации задания нам потребуется следующая функция: Имя: is_include Назначение: определить принадлежит ли точка области Входные данные: x координата точки по оси Х y координата точки по оси У Выходные данные: True точка принадлежит False точка не принадлежит Тестовые данные: Х У Результат 0.5 false 0 1 true Псевдокод Ввести...
35418. Java Lib 50.52 KB
  Научиться запаковывать свои классы в исполняемые jar файлы. Получить практические навыки по использованию сторонних библиотек в виде jar файлов. Изучить технологию JNI и научиться связываться с DLL написанными на С\С++