3856

Розв’язування задачі Коші методом Рунге-Кутта

Лабораторная работа

Информатика, кибернетика и программирование

Розв’язування задачі Кошіметодом Рунге-Кутта Мета роботи: вивчити і засвоїти постановку та методи розв’язування задачі Коші. Навчитися досліджувати розв’язок , використовуючи метод Рунге-Кутта. Короткі теоретичні відомості Тільк...

Украинкский

2012-11-09

163 KB

59 чел.

Розв’язування задачі Коші методом Рунге-Кутта

Мета роботи: вивчити і засвоїти постановку та методи розв’язування задачі Коші. Навчитися досліджувати розв’язок , використовуючи метод Рунге-Кутта.

Короткі теоретичні відомості

Тільки невелика кількість задач Коші, iнтегровних у явному виглядi, зустрічаються серед задач, якi потрiбно розв’язувати. Тому для розв’язування задач Коші широко використовують чисельні методи з їх реалізацією на комп’ютерах. При цьому особливо важливими є вибір потрібного методу і його програмної реалізації, а також підготування всіх даних, необхідних для роботи комп’ютерної програми.

1.Формулювання задачi.

Нехай на вiдрiзку потрiбно знайти розв’язок диференцiйного рiвняння

      (1)

який задовольняє таку умову

      (2)

Задачу (1)-(2) називають задачею Кошi для звичайногодиференцiйного рівняння першого порядку.

Будемо припускати, що функцiя f(х,у) неперервна та задовольняє умову Лiпшиця за у, тобто виконується

   (3)

де L– деяка додатна стала. В цьому випадку задача Кошi має єдиний розв’язок на промiжку

2. Метод Ейлера.

Розiб’ємо проміжок [а, b], на якому шукаємо розв’язок, на рiвномiрнi вiдрізки причому

Розрахункова формула методу Ейлера має вигляд

  (4)

де .У випадку рівномiрного розбиття вiдрізка [а, b] точками отримасмо

3. Методи Рунге-Кутта.

На практиці для розв’язування задачi Коші найчастiше використовують методи Рунге-Кутта. Цими методами можна розв’язати задачу Кошi для звичайного диференцiйного рiвняння першого порядку, для диференцiйних рiвнянь вищих порядків, системи диференцiйних рiвнянь першого порядку.

Перевага методiв Рунге-Кутта полягає в тому, що обчислювальні алгоритми є однорiдними, тобто не змiнюються при переходi від однiєї точки до iншої, а крок змiнюється вiдповiдно до потреби точностi обчислень, без ускладнення обчислювального алгоритму.

Методи Рунге-Кутта мають високу точнiсть, причому обчислення можна проводити із змінним кроком: неважко эменшити крок там, де функцiя швидко змiнюється, i збiльшити в протилежному випадку.

Недоліком методів Рунге-Кутта є те, що для відшукання наближеного розв’язку в точцi заданого вiдрiзку необхiдно виконати декілька обчислень значень функцій.

Наведемо рекурентні формули методу Рунге-Кутта рiзних порядкiв точностi.

Формули методу Рунге-Кутта другого порядку:

4. Оцiнювання похибки наближеного розв’язку задачі Кошi.

Для методiв Ейлера та його модифiкацiй, а також методів Рунге-Кутта i Адамса застосовують апріорні оцiнки похибки наближеного розв’язку задачi Кошi (1)-(2) . Однак цi оцiнки здебiльшого значно завищені. Тому їхнє значення не стiльки практичне, скiльки теоретичне, бо з них безпосередньо випливає висновок про збiжність цих методiв. Крім того, апрiорнi оцiнки мiстять у собi ряд сталих, для вiдшукання яких часто треба виконувати досить складні обчислення.

Тому, щоб оцiнити похибку наближеного розв’язку задачi (1) - (2), намагаються використати iнформацiю, яку дiстають в процесі чисельного розрахунку (такі оцінки називають апостеріорними). Найефективнiшим оцінюванням є використання оцiнки з подвiйним перерахунком.

Розглянемо детальнiше метод подвiйного перерахункудля  таких трьох випадків [2]:

1) задано крок iнтегрування h i треба визначити точні цифри наближеного розв’язку в кожнiй вузловiй точцi ;

2) задано точнiсть ε>0, з якою треба обчислити наближений розв’язок задачi, добираючи належним чином як сам метод, так i крок iнтегрування h;

3) оцiнити похибку – вiдповiдно наближений і точний розв’язок задачi в кожнiй вузловiй точцi .

Для цього розв’язок задачi (1)-(2) у кожнiй вузловiй точці обчислюють двiчі: з кроком h i h/2. Позначатимемо їх вiдповiдно .

Десятковi розряди наближень , які збiгаються мiж собою, вважають точними цифрами наближеного розв’язку в точцi .

Якщо наближений розв’язок задачi (1)-(2) треба обчислити з наперед заданою точнiстю є>0, то, використовуючи метод певного порядку точностi, інтегрування з кроками h і h/2 доцiльно вести паралельно, щоб вчасно визначити неузгодженiсть мiж значеннями  i, можливо, перейти до нового кроку.

Якщо ж у точцi  значення задовольняють нерiвність то крок інтегрування для наступної точки треба збільшити, наприклад, подвоїти. Якщо то крок ітегрування ділять навпіл. Цим забезпечують автоматичний вибiр кроку iнтегрування.

Нарештi, наявнiсть наближених значень , обчислених вiдповiдно з кроком h i h/2, дає змогу наближено оцiнити похибку методу у точцi  . Для одержання оцiнки похибки, припустимо, що виконуються такі умови:

1) на кожному кроці iнтегрування h похибка методу приблизно пропорцiйна до де S – порядок точностi методу;

2) похибка методу на кожному кроцi інтегрування однакова;

3) на кожному наступному кроцi інтегрування сумарна похибка методу містить також усi похибки, зробленi на попереднiх кроках.

Тому, якщо де М — невiдомий коефiцiєнт пропорційності, то

Отже, для похибки в точцi  у випадку iнтегрування з кроком h маємо рівнiсть

    (4.1)

а при інтегруванні з кроком h/2 – рiвність

     (4.2)

Віднявши почленно (4.2) вiд рiвностi (4.1) та розв’язавши одержане рівняння щодо невiдомого коефiцiєнта М, знайдемо

Пiдставивши це значення M в (4.2), отримаємо

    (4.3)

Оцiнювання абсолютної похибки за допомогою величини називають правилом Рунге.

Варіант 17

Застосовуючи чисельнi методи розв’язування задачi Кошi, розв’язати диференцiйне рiвняння першого порядку з точнiстю є =0.0001 на відрiзку  із кроком h= 0.05 i заданими початковими умовами , а також порівняти отриманий розв’язок із точним розв’язком y*, використовуючи правило Рунге.

Текст програми:

//---------------------------------------------------------------------------

#include <vcl.h>

#include <math.h>

#pragma hdrstop

#include "RungeUn.h"

//---------------------------------------------------------------------------

#pragma package(smart_init)

#pragma resource "*.dfm"

TForm1 *Form1;

float x0, y0, xn0, ytn1, yn0, eps, h, xn1, yn1, k1, k2;

bool modif=true;

//---------------------------------------------------------------------------

__fastcall TForm1::TForm1(TComponent* Owner)

 : TForm(Owner)

{

}

//---------------------------------------------------------------------------

double func(double xn0, double yn0)

{

return ((yn0*yn0+xn0)/(xn0*yn0));

}

//---------------------------------------------------------------------------

double func_toch(double xn0)

{

return (sqrt(2*xn0*(3*xn0-1)));

}

//---------------------------------------------------------------------------

void __fastcall TForm1::Button1Click(TObject *Sender)

{

 x0=StrToFloat(LabeledEdit1->Text);

 y0=StrToFloat(LabeledEdit2->Text);

 h=StrToFloat(LabeledEdit3->Text);

 eps=StrToFloat(LabeledEdit4->Text);

 Memo1->Clear();

 Memo1->Lines->Add((AnsiString)"      x                y              h               ytoch");

 xn0=x0;

 yn0=y0;

 while (xn0 < (x0+0.5))

{

  k1 = h * func(xn0,yn0);

  k2 = h * func(xn0+h,yn0+k1);

  yn1 = yn0 + (k1+k2)/2.0;

  xn1 = xn0 + h;

  xn0 = xn1;

  yn0 = yn1;

  ytn1=func_toch(xn1);

  Memo1->Lines->Add(FloatToStrF(xn1,ffFixed,8,4)+

                     (AnsiString)"      "+

                     FloatToStrF(yn1,ffFixed,8,4)+

                     (AnsiString)"      "+

                     FloatToStrF(h,ffFixed,8,4)+

                     (AnsiString)"      "+

                     FloatToStrF(ytn1,ffFixed,8,4));

  if(abs(yn1-ytn1)>eps){h/=2.0; modif=false;}

  else if(!modif){h*=2; modif=true;}

}

}

//-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

Результат виконання програми:

    Висновок: На цій лабораторній роботі я вивчив і засвоїв постановку та методи розв’язування задачі Коші. Навчився досліджувати розв’язок, використовуючи метод Рунге-Кутта.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

63224. Права неповнолітніх у трудових відносинах 25.4 KB
  Мета: ознайомити учнів з трудовими правами неповнолітніх; навчити складати резюме заяву про прийом і звільнення з роботи; навчити аналізувати та застосовувати на практиці законодавство про працю неповнолітніх...
63225. Урок узагальнення з теми «Давні Індія та Китай» 23.61 KB
  Мета: систематизувати та узагальнити знання учнів із теми; простежити взаємозвязок між господарським і духовним розвитком Давніх Індії та Китаю; розширити світогляд школярів; показати внесок культури Давніх Індії та Китаю в розвиток людської цивілізації.
63227. Адміністративне право. Адміністративні правовідносини 21.79 KB
  Сформувати поняття про відносини регульовані адміністративним правом; охарактеризувати напрямки та методи державного управління; розвивати вміння працювати з нормативноправовими документами розвязувати ситуації юридичного характеру.
63229. Адміністративне правопорушення. Адміністративна відповідальність 27.16 KB
  Мета: розкрити зміст понять адміністративне правопорушення адміністративна відповідальність; навчити розрізняти адміністративний проступок і злочин; визначити особливості адміністративної відповідальності неповнолітніх...
63230. Кримінальна відповідальність 21.88 KB
  Мета: ознайомити учнів з поняттями кримінальна відповідальність покарання; розкрити особливості кримінальної відповідальності неповнолітніх; розвивати вміння працювати з нормативноправовими документами...
63231. Правоохоронні органи України. Права неповнолітньої особи при затриманні, арешті, допиті 29.43 KB
  Правовий статус міліції. Правовий статус міліції Міліція це система державних органів виконавчої влади що покликані захищати життя здоровя права і свободи громадян власність природне середовище та інтереси...
63232. Кримінальний процес 29.12 KB
  Мета: розкрити зміст понять: судове слідство потерпілий підозрюваний; охарактеризувати права та обовязки учасників кримінального процесу; розвивати вміння розвязувати юридичні ситуації робити висновки...