30063

Визуализация численных методов. Решение задачи в MathCAD

Курсовая

Информатика, кибернетика и программирование

Дифференциальными называются уравнения, связывающие независимую переменную, искомую функцию и ее производные. Решением ДУ 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 ДУ играют важную роль в практике инженерных расчетов

Русский

2014-08-21

187.5 KB

5 чел.

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ТЕЛЕКОММУИКАЦИЙ ИИНФОРМАТИКИ

Уральский технический институт связи и информатики Факультет телекоммуникаций

Кафедра физики, прикладной математики и информатики

Курсовая по информатике

на тему:

«Визуализация численных методов»

       Студент: Паньшин Артем Андреевич

               Группа:  ОЕ-71

      Преподаватель: Минина Елена Евгеньевна

 

г. Екатеринбург, 2008

Оглавление

Введение…………………………………………………………… 3

Постановка задачи ………………………………………………. 4

Описание используемых методов…………………………….. 5

Блок-схемы ……………………….……………………………….8

Виды форм проекта……………………………………………. 11

Листинг программы на языке Visual Basic…………………. 12

Решение задачи в MathCAD ……………………………..…... .14

Вывод……………………………………………………….…….. .15


Введение

Дифференциальными называются уравнения, связывающие независимую переменную, искомую функцию и ее производные. Решением ДУ 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 ДУ играют важную роль в практике инженерных расчетов. Дифференциальные уравнения - уравнения, связывающие между собой независимую  переменную , искомую функцию и ее производную.

Если решить сложно или невозможно, используют числовые методы, то есть приближенные значения. В числовых методах обязательно используют начальные условия, чтобы исключить константу.

Числовые методы позволяют построить интегральную кривую по точкам. В зависимости от того, сколько точек используется для расчета очередной точки интегральной кривой, все численные методы делятся на одношаговые и многошаговые. В нашем случае мы используем одношаговые численные методы.

Основные цели  работы:

Целью моей работы является изучение основ системы программирования Microsoft  Visual  Basic и приобретение начальных навыков разработки программного обеспечения для операционных систем  Windows.


Постановка задачи

Решить методами Эйлера и Эйлера модифицированного задачу Коши для дифференциального уравнения 1-го порядка 2*x*y*dx-(x+1)=0

на отрезке [0; 0.8] с шагом h=0.05 и начальным условием: Y(0) = 4. Общее решение: y=exp(2*x)*C/(x+1)^2

Ответ должен быть получен в виде таблицы результатов:

X

Y(1)

Y(2)

YT

X0

Y0(1)

Y0(2)

Y(X0)

X1

Y1(1)

Y1(2)

Y(X1)

Xk

Yk(1)

Yk(2)

Y(Xk)

Где: Y(1) - решение, полученное методом Эйлера, Y(2) – решение, полученное методом Эйлера модифицированного, YT – точное решение дифференциального уравнения.

Данные таблицы визуализировать на форме в виде графиков.

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


Описание используемых методов

МЕТОД ЭЙЛЕРА

 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(0; 4) – 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 = 0 + 1 · 0.05 = 0.05;

  •  Проводим прямую x = x1 = 0.05  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 + 0.05  f(0;4) = 4+0.05*0= 4

Следовательно, точка B имеет координаты (0.05; 4).

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

(*)

Рис1. Решение задачи методом Эйлера.

Его существенный недостаток - большая погрешность вычислений.

МЕТОД ЭЙЛЕРА МОДИФИЦИРОВАННЫЙ

Для уменьшения погрешности вычислений часто используется модифицированный метод Эйлера. Этот метод имеет так же следующие названия: метод Эйлера-Коши или метод Рунге-Кутта второго порядка точности.

Для решения поставленной задачи выполняем следующие действия:

  •  Строим оси координат;
  •  Отмечаем А(0; 4) – 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 = 0 + 0.05 · 1 = 0.05;

  •  Делим шаг интегрирования на два отрезка и отмечаем x1/2= x0 + h/2, проводим прямую из этой точки до прямой AB, отмечаем точку B(x1/2; y1/2);
  •  Ищем координаты В:

x1/2 = x0 + h/2 = 0 + 0.025 = 0.025

y1/2 = y0 + h/2 · f(x0; y0) = 4 +  0.025· 0= 4

Следовательно, точка B имеет координаты (0.025; 4);

Ищем угол наклона касательной к графику в точке B:

Tgα1=2*0.025*4/0.025+1=0.1951 рад. α1=0.1977

  •  Строим касательную BC в точке B под углом α1;
  •  Проводим прямую x1 = 0.05 до пересечения с прямой BC, отмечаем точку C с координатами (x1; y1);
  •  Ищем y1 :

y1 = y1/2 + h/2(f(x1/2;y1/2)) = 4 + 0.025 · 0.1977 = 4.0049

Следовательно, точка C имеет координаты (0.05; 4.0049).

yi+1 = yi + hf(xi + h/2, yi + h/2 ∙ f(xi, yi))

Рис2. Решение задачи методом Эйлера модифицированного


                                          Блок-схема программы

                                 Блок-схема описания функции:


Виды форм проекта

         Исходная форма:

        Итоговая форма:

Листинг программы на языке Visual Basic

Dim x(25) As Single, y1(25) As Single, y2(25) As Single, y3(25) As Single

Private x0 As Single

Private xk As Single

Function f(x, y As Single) As Single

   f = 2 * y * x / (x + 1)

End Function

Private Sub Command1_Click()

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

Dim i

   x0 = Val(text1.Text)

   xk = Val(Text2.Text)

   h = Val(Text3.Text)

   y0 = Val(Text4.Text)

   e = 2.7

   n = Round((xk - x0) / h)

   c = (y0 * (x0 + 1) ^ 2) / e ^ (2 * x0)

   MSFlexGrid1.Rows = n + 2

   MSFlexGrid1.TextMatrix(0, 0) = "X"

   MSFlexGrid1.TextMatrix(0, 1) = "Y(Э)"

   MSFlexGrid1.TextMatrix(0, 2) = "Y(ЭМ)"

   MSFlexGrid1.TextMatrix(0, 3) = "Y(О)"

   Max = 0

   Min = y0

   y2(i) = y0

   y3(i) = y0

For i = 0 To n

   x(i) = x0 + i * h

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

   y1(i) = (e ^ (2 * x(i))) * c / (x(i) + 1) ^ 2

   MSFlexGrid1.TextMatrix(i + 1, 3) = Str(Round(y1(i), 4))

    y2(i + 1) = y2(i) + h * f(x(i) + h / 2, y2(i) + h / 2 * f(x(i), (y2(i))))

   MSFlexGrid1.TextMatrix(i + 1, 2) = Str(Round(y2(i), 4))

   y3(i + 1) = y3(i) + h * f(x(i), y3(i))

   MSFlexGrid1.TextMatrix(i + 1, 1) = Str(Round(y3(i), 4))

   

If y1(i) > Max Then Max = y1(i)

If y1(i) < Min Then Min = y1(i)

Next i

   Label5.Caption = Str(Round(Max, 4))

   Label6.Caption = Str(Round(Min, 4))

   Label7.Caption = Str(x0)

   Label8.Caption = Str(xk)

   Picture1.Cls

       kx = (Picture1.Width - 1190) / (xk - x0)

       ky = (Picture1.Height - 1600) / (Max - Min)

               

For i = 1 To n - 1

   z1 = Round(250 + (x(i) - x0) * kx)

   z2 = Round(5045 - (y1(i) - Min) * ky)

   z3 = Round(250 + (x(i + 1) - x0) * kx)

   z4 = Round(5045 - (y1(i + 1) - Min) * ky)

   Picture1.Line (z1, z2)-(z3, z4)

   

   z1 = Round(250 + (x(i) - x0) * kx)

   z2 = Round(5045 - (y3(i) - Min) * ky)

   z3 = Round(250 + (x(i + 1) - x0) * kx)

   z4 = Round(5045 - (y3(i + 1) - Min) * ky)

   Picture1.Line (z1, z2)-(z3, z4)

   

   z1 = Round(250 + (x(i) - x0) * kx)

   z2 = Round(5045 - (y2(i) - Min) * ky)

   z3 = Round(250 + (x(i + 1) - x0) * kx)

   z4 = Round(5045 - (y2(i + 1) - Min) * ky)

   Picture1.Line (z1, z2)-(z3, z4)

Next i

End Sub


                          
Решение задачи в MathCAD

 
                                                        Вывод
 

Вывод

В данной курсовой работе я работала над визуализацией численных методов. Мною была разработана программа, которая наглядно описывает решение дифференциального уравнения методом Эйлера и методом Эйлера модифицированного.      

По получившейся таблице, состоящей из четырёх столбцов (столбца значений Х, столбца решения методом Эйлера, столбца решения методом Эйлера модифицированного, столбца общего решения) видно, что значения столбца решения методом Эйлера модифицированного отличаются от значений столбца общего решения меньше, нежели значения столбца решений методом Эйлера.

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

.

На графике видно, что кривая решения методом Эйлера модифицированного находится ближе к кривой общего решения, чем кривая решения методом Эйлера.

Сравнив решения, полученные методом Эйлера и методом Эйлера модифицированного, с общим решением можно сделать следующий вывод: наиболее точное решение дифференциального уравнения даёт метод Эйлера модифицированного, а метод Эйлера имеет погрешность немного большую, чем у метода Эйлера модифицированного.

Данная курсовая позволила мне закрепить навыки работы в различных приложениях WINDOWS,таких как: Microsoft Office Word, MathCad 12, AutoCAD и, конечно же, основная работа была проведена в Microsoft Visual Basic 6.0.

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


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

20855. ТВОРЧИЙ ПРОЕКТ З ТРУДОВОГО НАВЧАННЯ ДЛЯ УЧНІВ 7-8 КЛАСІВ ЗАГАЛЬНООСВІТНІХ НАВЧАЛЬНИХ ЗАКЛАДІВ 6.87 MB
  Організаційнопідготовчий етап охоплює такі стадії виконання проекту: формулювання завдання пошук проблеми усвідомлення проблемної сфери; дизайнаналіз аналіз аналогів вироблення ідей та варіантів; аналіз виробу формування основних параметрів і граничних вимог вибір оптимального варіанту та обґрунтування проекту прогнозування результатів. Конструкторський етап розробка початкових ідей генерування ідей складання їх замальовок рисунків ескізів; оцінка ідей для вибору найбільш досконалої оцінка ідей за розробленими критеріями...
20857. З'єднання, одержувані для формування рамок із брусків із прямокутним підрізуванням 197.5 KB
  Дизайнаналіз: виконання аналізу аналогів у письмовій та графічній формі зразок графічної форми дивись у додатку 1; вироблення ідей та варіантів; проведення дизайнаналізу; взаємозвязок між призначенням виробу і матеріалом з якого він виготовлений; аналіз форми виробу; звязок між формою і функціональним призначенням виробу; способи ручної та механічної обробки матеріалів; кінцева обробка та оздоблення виробів. Аналіз виробу: формування основних параметрів і граничних вимог; вибір оптимального варіанту та обґрунтування проекту;...
20858. Штангенциркуль 218 KB
  Штангенциркуль складається із стальної лінійки штанги 5 з міліметровими поділками відносно якої переміщується рамка 4 з ноніусом і двох пар губок ніжок нерухомих 1 та рухомих 2. Різновиди штангенциркулів Цифровий штангенциркуль Отримання результатів вимірювання штангенциркулем.
20859. Макроэкономическое равновесие на товарном рынке. Кейнсианский подход 153 KB
  Методологические основы кейнсианского подхода. Компоненты совокупного спроса в кейнсианской модели. Кейнсианская функция потребления и сбережения. Теория инвестиционных решений. Равновесный уровень дохода. Модель «утечка-инъекции».
20860. Проблемы преподавания планиметрии и стереометрии через элективные курсы в школе 278.53 KB
  Перехода к профильному обучению математике в общеобразовательной школе, предусматривающей также элективные курсы по геометрии, и не разработанностью теоретических основ их проектирования; осуществления преемственности базового, профильного и элективного курсов по геометрии и отсутствием требований к отбору содержания последних...
20861. Хіміко-термічна обробка металів та сплавів 108 KB
  Мета хіміко-термічної обробки - надати поверхневому шару стальних деталей підвищеної твердості, зносостійкості, жаростійкості, корозійної стійкості та ін. Для цього нагріті деталі поміщають у середовище, з якого в процесі дифузії у поверхневий шар переходять деякі елементи (вуглець, азот, алюміній, хром, кремній, бор та ін.)
20862. Толковый словарь психиатрических терминов 1.75 MB
  В словаре представлены толкования основных терминов и понятий, наиболее часто употребляемых в современной психиатрической литературе, а также в смежных науках и областях знаний (психотерапии, неврологии, психологии, философии, физиологии и др.). Приведено лаконичное, но достаточно полное смысловое значение каждого термина