41307

Метод конечных разностей для решения дифференциальных уравнений в частных производных, способы построения трехмерных графиков в среде УМС Mathcad

Лабораторная работа

Информатика, кибернетика и программирование

Графики функции.Предусмотреть счетчик числа уточнений итераций значений функции. Значения функции выводить в виде матрицы. Построить график функции fxy.

Русский

2013-10-23

591.35 KB

123 чел.

Содержание

  1.  Цель работы…………………………………………………………….3
  2.  Задание………………………………………………………………….3
  3.  Основные сведения……………………………………………………..3
  4.  Блок-схема алгоритма ……...………………………………………….6
  5.  Текст программы ….…………………………………………………...7
  6.  Графики функции   ……………………….…...…………………10
  7.  Список литературы…………………………………………………….11


  1.  Цель работы

Изучение метода конечных разностей, решение уравнения Лапласа на плоскости, приобретение практических навыков составления схем алгоритмов, программ, построения трехмерных графиков в среде УМС Mathcad и работы на ЭВМ.

  1.  Задание
  2.  Изучить метод конечных разностей для решения дифференциальных уравнений в частных производных, способы построения трехмерных графиков в среде УМС Mathcad.
  3.  Составить алгоритм и программу решения задачи Дирихле. Предусмотреть счетчик числа уточнений (итераций) значений функции. Значения функции выводить в виде матрицы. Варианты заданий в таблице.
  4.  Ввести программу в ЭВМ, отладить ее и выполнить. Результаты приложить к отчету.
  5.  Построить график функции f(x,y).

вар.

Область решения

Граничные условия

a

b

c

d

25

0,1

1,1

0,1

1,1

  1.  Основные сведения

МКР является универсальным методом решения дифференциальных уравнений. Ранее было рассмотрено применение МКР при решении краевой задачи для обыкновенных дифференциальных уравнений с граничными условиями. Как и для этих задач, решение дифференциальных уравнений с частными производными МКР проводится в два этапа.

1. Разностная или дискретная аппроксимация дифференциального уравнения на сетке и формирование системы разностных уравнений.

2. Решение системы разностных уравнений и определение значений искомой функции в узлах разностной сетки.

На этапе разностной аппроксимации сначала строится разностная сетка на плоскости или в пространстве, как правило, равномерная. Все частные и смешанные производные, входящие в дифференциальное уравнение, заменяются формулами численного дифференцирования (выражаются через конечные разности). В результате получается разностное уравнение, содержащее неизвестные значения функции в узлах разностной сетки. Это уравнение называется разностной схемой. Далее это разностное уравнение записывается для каждого узла разностной сетки, где нужно определить искомую функцию. В результате получается система разностных уравнений. В частности, для дифференциального уравнения с двумя независимыми переменными часто используется двумерная прямоугольная разностная сетка, часто с равными шагами h по координатам x и y. Для этого заданный интервал [a,b] по оси 0х делится на n равных участков с равномерным шагом . А интервал [c,d] по оси 0y – на m равных участков с таким же шагом .

Рис. 6.1. Аппроксимация частных производных

Выразим производные функции двух переменных в узле через конечные разности (рис 6.1). Принадлежность функции к данному узлу будем обозначать соответствующими индексами при знаке функции f:

,

и т.п.

При использовании формул односторонней и центральной конечных разностей (ОКР, ЦКР) частная производная первого порядка функции по x выразятся следующим образом:

• левые ОКР    – ;

• правые ОКР  – ;

• ЦКР           – .

Аналогичные формулы получаются для частной производной по у:

• левые ОКР    – ;

• правые ОКР – ;

• ЦКР         – .

Вторые производные по переменным x и y находятся по аналогичным для функции одной переменной формулам

Смешанная производная находится с использованием формулы ЦКР

Аналогичным образом можно получить формулы для частных и смешанных производных для случаев, когда шаги разностной сетки по осям x и y различные. Также можно рассматривать разностные сетки для трехмерного пространства и получить соответствующие формулы.

  1.  Блок-схема алгоритма

Рис.1 Решение уравнения Лапласа методом конечных разностей

  1.  Текст программы

program lab10;

uses crt;

label 1,2;

const a=0.1;

     c=0.1;

     b=1.1;

     dd=1.1;

var x,y,h,e,be,v,d:real;

   i,j,n,m,k,l:integer;

   f:array [0..100,0..100] of real;

begin

clrscr;

write('Введите размерность матрицы n=');

readln(n);

m:=n;

write('Введите точность e=');

readln(e);

write('Введите допустимое число итераций l=');

readln(l);

h:=(b-a)/n;

i:=0; j:=0;

x:=0.2;

y:=0.2;

for j:=0 to m do

begin

f[n,j]:=0.13*x+0.2*y;

x:=x+h;

end;

i:=0; j:=0;

x:=0.1;

y:=0.1;

for i:=n downto 0 do

begin

f[i,j]:=0.13*x+0.2*y;

y:=y+h;

end;

i:=0; j:=0;

x:=0.1;

y:=1.1;

for j:=0 to m do

begin

f[i,j]:=0.13*x+0.2*y;

x:=x+h;

end;

i:=0; j:=0;

x:=1.1;

y:=0.1;

for i:=n downto 0 do

begin

f[i,n]:=0.13*x+0.2*y;

y:=y+h;

end;

writeln('Вывод массива границ');

for i:=1 to n-1 do

for j:=1 to m-1 do

f[i,j]:=0;

for i:=0 to n do

begin

for j:=0 to m do

begin

write(f[i,j]:5:3,' ');

end;

writeln;

end;

k:=0;

1:

be:=0;

for i:=1 to n-1 do

for j:=1 to m-1 do

begin

v:=(f[i-1,j]+f[i+1,j]+f[i,j-1]+f[i,j+1])/4;

d:=abs(v-f[i,j]);

f[i,j]:=v;

if be<d then be:=d;

k:=k+1; if k>=l then begin writeln('Превышено число итераций'); goto 2; end;

end;

if be<=e then begin

writeln('Конечный массив');

for i:=0 to n do

begin

for j:=0 to m do

begin

write(f[i,j]:5:3,' ');

end;

writeln;

end; end else goto 1;

2:

writeln('Число итераций k=',k);

end.

Результат решения в среде Pascal:

Начальные условия:

Размерность матрицы n=10

Точность решения ε=0.00001

Число допустимых итераций l=10000

  1.  График функции

                                 


Список литературы

1. Турчак Л.И. Основы численных методов: учеб. пособие для вузов/ Л.И. Турчак, П.В. Плотников. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Физматлит, 2003. – 304 с.: ил. (Первое издание – 1987 г.)

2. Амосов А.А. Вычислительные методы для инженеров: учеб. пособие/ А.А. Амосов, Ю.А. Дубинский, Н.В. Копченова. – 2-е изд., доп. – М.: Изд-во МЭИ, 2003. – 596 с.: ил. (Первое издание – 1994 г.)

3. Макаров Е.Г. Инженерные расчеты в Mathcad (+СD)/ Е.Г. Макаров. – СПб.: Питер, 2007. – 592 с.: ил. +CD-ROM

4. Поршнев С.В. Численные методы на базе Mathcad/ С.В. Поршнев, И.В. Беленкова. – СПб.: БХВ-Петербург, 2005. – 464 с.: ил.

5. Николаев Н.Н. Вычислительная математика (Линейная алгебра. Приближенное представление функций): конспект лекций/ Н.Н. Николаев. Чуваш. ун-т. – Чебоксары, 1996. – 64 с.: ил.

6. Николаев Н.Н. Вычислительные методы. Определенные интегралы, нелинейные и дифференциальные уравнения: конспект лекций/ Н.Н. Николаев. Чуваш. ун-т. – Чебоксары, 2010. 96 с.: ил.

7. Николаев Н.Н. Основы работы в системе MATHCAD: вычислительные методы: лаб. практикум/ Н.Н. Николаев. – Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2011. – 116 с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

46090. АЛАЛИЯ КАК СИСТЕМНОЕ НЕДОРАЗВИТИЕ РЕЧИ. СОВРЕМЕННЫЕ КЛАССИФИКАЦИИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОСНОВНЫХ ФОРМ 27.5 KB
  АЛАЛИЯ КАК СИСТЕМНОЕ НЕДОРАЗВИТИЕ РЕЧИ. Алалия отсутствие или недоразвитие речи вследствие органического поражения речевых зон коры головного мозга во внутриутробном или раннем периоде развития ребёнка. Весь процесс становления речи при этом нарушении проходит в условиях патологического состояния ЦНС. Алалия представляет собой системное недоразвитие речи при котором нарушаются все компоненты речи: фонетикофонематическая сторона лексикограмматический строй.
46091. Моторная алалия. Принципы, организация и содержание коррекционно-развивающего воздействия при моторной алалии 15.5 KB
  Задачи: воспитание речевой активности;обогащение пассивного словаря и его уточнение;формирование интереса к занятиям и к игре;обучение игровым действиям и выполнению инструкций; формирование первоначального навыка общения через диалог. Задачи: обогащение активного словаря; работа над звукослоговой структурой слова; обучение фразообразованию через обучение словоизменению; устранение грубого аграмматизма. Далее направляются в школу V вида или обучение в ООШ при логопедическом сопровождении.
46092. Сенсорная алалия. Принципы, организация и содержание коррекционно-развивающего воздействия при сенсорной алалии 17 KB
  Задачи: организация речевого режима;уточнение состояния восприятия речи на слух; формирование интереса к звуковому наполнению окружающей действительности дифференциация неречевых звуков;переходим к дифференциации речевых звуков. Используется предметнопрактическая деятельность: упорядочение поля слышания→различение звуков шумов→различение интенсивных звуков→различение направления звука→различение высоты и окраски звуков. Основной принцип предметная соотнесённость установление связи звуков с предметами.После работы над звуковым рядом...
46093. АФАЗИЯ. КЛАССИФИКАЦИЯ АФАЗИИ. НЕЙРОЛИНГВИСТИЧЕСКИЙ ПОДХОД В ИЗУЧЕНИИ АФАЗИИ НА СОВРЕМЕННОМ ЭТАПЕ 33 KB
  Афазия полная или частичная утрата речи обусловленная локальными поражениями головного мозга учебник Волковой Афазия включает в себя: Нарушение собственно речи центральный дефект. Нарушение экспрессивной речи. При другом варианте эфферентной моторной афазии при спонтанном восстановлении речи и общении нередко формируется выраженный экспрессивный аграмматизм :больные пропускают глаголы с трудом употребляются предлоги флексии существительных выявляется так называемый аграмматизм типа телеграфного стиля который возникает...
46094. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И НАПРАВЛЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ МЕДИКО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ПРИ РАЗНЫХ ФОРМАХ АФАЗИИ И НА РАЗНЫХ ЭТАПАХ ВОЗДЕЙСТВИЯ 30 KB
  Восстановительная работа при афазии сложна и продолжительна и в её основу положен целый ряд принципов: Комплексный медикопедагогический характер воздействия. Работа над всеми сторонами речи. Восстановительная работа при акустикогностической сенсорной афазии. Работа по восстановлению фонематического восприятия содержит следующие этапы: Дифференциация слов контрастных по длине звуковому и ритмическому рисунку.
46095. АНАЛИЗ СВЕДЕНИЙ ИЗ ИСТОРИ ИЗУЧЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ НАРУШЕНИЙ ПИСЬМЕННОЙ РЕЧИ. СОВРЕМЕННЫЕ НАУЧНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ ЭТИОЛОГИИ НАРУШЕНИЙ ПИСЬМЕННОЙ РЕЧИ 30.5 KB
  Впервые на нарушения чтения и письма как на самостоятельную патологию речевой деятельности указал А. В этот период патология чтения и письма рассматривалась как единое расстройство письменной речи. было распространено мнение что нарушение чтения и письма представляют собой одно из проявлений общего слабоумия и наблюдаются только у УО детей.Морган описал случай нарушения чтения и письма у 14летнего мальчика с нормальным интеллектом.
46096. ДИСЛЕКСИЯ. ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА АКТА ЧТЕНИЯ. КЛАССИФИКАЦИЯ ДИСЛЕКСИЙ 26.5 KB
  Дислексия частичное специфическое нарушение процесса чтения обусловленное несформированностью нарушением ВПФ и проявляющегося в частых ошибках стойкого характера. Акустическая дислексия. Оптическая дислексия. Моторная дислексия.
46097. ХАРАКТЕРИСТИКА ОТДЕЛЬНЫХ ФОРМ ДИСЛЕКСИИ. СОДЕРЖАНИЕ КОРРЕКЦИОННО-ПРОФИЛАКТИЧЕСКОЙ РАБОТЫ 31.5 KB
  Осуществляется работа по развитию зрительнопространственных функций памяти внимания аналитикосинтетической деятельности по формированию языкового анализа и синтеза лексики и грамматического строя по устранению нарушений устной речи. Логопедическая работа по дифференциации смешиваемых звуков включает 2 этапа: предварительный работа над каждым из смешиваемых звуков; этап слуховой и произносительной дифференциации смешиваемых звуков. Устранению артикуляторноакустической дисграфии предшествует работа по коррекции нарушений...
46098. ДИСГРАФИЯ. ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА АКТА ПИСЬМА. КЛАССИФИКАЦИЯ ДИСГРАФИИ 20 KB
  ДИСГРАФИЯ. Дисграфия специфическое и стойкое нарушение процесса письма обусловленное отклонениями от нормы в деятельности тех анализаторов и психических процессов которые обеспечивают письмо.Дисграфия аграфия 1Дисфоническая паралалическая фонематическая 2Метаязыковая дисграфия в следствии нарушения языкового анализа и синтеза 3 Дисорфографическая 2. ложная дисграфия.