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

18 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

20479. Графічний метод відокремлення коренів 39.5 KB
  Найчастіше в додатках використовуються трансцендентні рівняння. Для відокремлення коренів можна ефективно використати ЕОМ. Проте слід памятати що дане твердження справедливе лише за умов монотонності на заданому відрізку і виборі достатньо малого кроку приросту аргументу з врахуванням характеристик. Слід аналізувати три можливості що можуть виникнути а саме: Якщо рис.
20481. Детальний розгляд критичних етапів життєвого циклу. Принципи структурного аналізу 34 KB
  Принципи структурного аналізу. Всі методології структурного аналізу базуються на ряді загальних принципів частина з яких регламентує організацію робіт на початкових етапах ЖЦ а частина використовується при виробленні рекомендацій щодо організації робіт. В якості двох базових принципів використовуються наступні: принцип розділяй і володарюй і принцип ієрархічного упорядкування. Перший є принципом вирішення важких проблем шляхом розбиття їх на безліч менших незалежних завдань легких для розуміння і вирішення.
20482. Совокупное предложение и кривая 94 KB
  Совокупное предложение базируется на производственных возможностях национальной экономики. Оно является функцией экономики от доступных на текущий момент факторов производства, технологии и уровня цен. В процессе анализа совокупного предложения важно различать совокупное предложение в краткосрочном и долгосрочном периодах.
20483. Діаграми “сутність-зв’язок”. Основні означення та терміни. Нотація Чена 55.5 KB
  Модель сутністьзв'язок ERмодель англ. Entityrelationship model або entityrelationship diagram модель даних яка дозволяє описувати концептуальні схеми за допомогою узагальнених конструкцій блоків. ERмодель це метамодель даних тобто засіб опису моделей даних. ERмодель зручна при проектуванні інформаційних систем баз даних архітектур комп'ютерних застосунків та інших систем моделей.
20484. Діаграми атрибутів. Категоризація сутностей 38 KB
  Діаграми випадків використання описують взаємозвязки і залежності між групою випадків використання і акторами що беруть участь у процесі. Важливо зауважити що діаграми випадків використання не призначено для показу компонування вони не можуть описати внутрішню структуру системи. Діаграми випадків використання призначено для полегшення обміну інформацією між майбутніми користувачами системи і замовником вони особливо корисні для визначення переліку можливостей які повинна мати система. За діаграмами випадків використання можна...
20485. Діаграми потоків даних. Основні означення та символи 29 KB
  Діаграма потоків даних англ. Data Flow Diagram графічне представлення потоків даних в інформаційній системі. Діаграма потоків даних також може використовуватись для представлення обробки даних структурна розробка.
20486. Закони булевої алгебри 28 KB
  Конюнкцією висловлень А і В називаємо висловлення А^В буде істинним тоді і тільки тоді коли обидва висловлення істинні. Дизюнкцією висловлень А і В називаються висловлення АvВ в якій буде істина тоді і лише тоді коли істинне хоча б одне із висловлень. Імплікацією висловлень А і В називається таке висловлення АВ яке буде хибне тоді і лише тоді коли А істинне В хибне. Заперечення висловлення А називається складне висловлення А яке буде істинне тоді і лише тоді коли А хибне і хибним тоді коли а істинне.
20487. Запити, типи запитів, обчислення в запитах 32 KB
  Запити дозволяють обраховувати підсумкові значення і виводити їх у компактному форматі а також виконувати обчислення над групами записів. Запити можна створювати самостійно і за допомогою майстра. Майстри запитів автоматично виконують основні дії залежно від відповідей користувача на поставлені питання.