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

106 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

44616. Древний Рим 95.5 KB
  Основные понятия Квестор Должностное лицо магистрат выполнявший судебные функции в раннереспубликанский период а позднее ведавшее казной архивом; помощник правителя провинции. Квириты Коренные жители римской общины члены курий в период формирования римского государства; имели привилегированное правовое положение исключительно носители квиритского права квиритской собственности и т. Колонат Форма зависимости сельского населения от крупных землевладельцев сдавших участки земли арендаторам колонам периода домината. Комиции...
44617. Древняя Индия 72.5 KB
  Индостан и образовавшие первые государства. Развитие государства Древней Индии имеет особенности отличающий его от других стран Востока. Форма государственного устройства всего Древнего Востока Восточная деспотия Индии имела особенность – власть правителя была ограничена индийской общиной некоторая коллегиальность управления; Существенное влияние на развитие государства оказала религия. Центральная власть Глава государства царь власть которого обожествлялась.
44618. Спарта в период рабовладельческой аристократической республики (VIII в. до н.э. - середина II в. до н.э.) 60.5 KB
  Возникновения государства. Илоты Жители побежденных лаконийских племен превращенные в рабов были собственностью государства. Возникновения государства. Победа Спарты над Афинами в Пелопоннесской войне привел к появлению роскоши развитию товарноденежных отношений и гибели Спарты как военизированного аристократического рабовладельческого государства во II в.
44619. Афинское государство (VIII-IV вв. до н.э.) 105 KB
  Основные понятия Ареопаг Высший орган государственной и судебной власти в Афинах. Булевты Члены Совета пятисот булэ в Древних Афинах в компетенции которого находились вопросы управления внешних сношений финансов государства. Гелиасты Члены судебной коллегии гелиэи в Древних Афинах. Демы Территориальные округа в Древних Афинах со времен реформы Клисфена.
44620. Древний Вавилон 72 KB
  Законы Хаммурапи. Законы Хаммурапи Сборник законов Древнего Вавилона названный именем царя Вавилона. Мушкенум Жители покоренных Хаммурапи областей. Хаммурапи Царь Вавилона в период правления которого XVIII в.
44621. Французская буржуазная революция (1789-1794 гг.). Этапы революции, конституционное законодательство 88.5 KB
  Этапы революции конституционное законодательство. Первый этап революции фельяны. Второй этап революции жирондисты. Третий этап революции якобинцы.
44622. Французское государство в конце XVIII-XIX вв 67 KB
  Третья республика во Франции 18711940 гг. Первая империя 17941814 Во Франции 27 июля месяц термидор произошел переворот. Государственный строй первой империи во Франции стал республиканская монархия в Риме пример принципат. Напоминала Конституцию Франции образца 1791 г.
44623. Англия в Новое время 89 KB
  Буржуазная революция в Англии. Виги Представители промышленной буржуазии в парламенте Англии в 70х годах XVII в. Выступали за уничтожение монархии палаты лордов и сословных привилегий за превращение Англии в республику с однопалатным парламентом избранным на основе всеобщего избирательного права исключая рабочих и прислугу. Пуритане Последователи кальвинизма одного из направлений протестантизма в Англии XVIXVII вв.
44624. Соединенные Штаты Америки в XVIII-XIX вв 75.5 KB
  Гражданская война в США и отражение ее итогов в Конституции США. Первые 10 поправок к Конституции США 1787 г. Вашингтон Джордж 17321799 Государственный деятель США главнокомандующий американской армией во время войны за независимость в Северной Америке 17751783 гг. первый президент США 17891797 гг.