50063

Численное решение обыкновенных дифференциальных уравнений

Лабораторная работа

Математика и математический анализ

При выполнении данной лабораторной работы были получены теоретические и практические навыки в приближенном решении дифференциальных уравнений первого порядка с начальным условием методами Эйлера, Эйлера (уточнённый), Рунге-Кутты, Адамса, Милна. Сравнивая полученные результаты вычислений с истинным значением можно сделать вывод...

Русский

2014-01-15

957.5 KB

8 чел.

СОДЕРЖАНИЕ

[1] СОДЕРЖАНИЕ

[2]
Постановка задачи

[3]
Численное решение

[3.1] Метод Эйлера

[3.2] Уточненный метод Эйлера

[3.3] Метод Рунге-Кутты

[3.4]
Метод Адамса

[3.5] Метод Милна

[4] Програмная реализация

[4.1] Описание основных процедур и функций

[4.2]
Блок-схемы основных процедур

[4.3] Текст программы

[5]
Решение в среде Mathcad

[6]

Результаты вычислений

[7]
Вывод

[8] Кафедра: «Техническая кибернетика»

[8.0.1]  

  1.  
    Постановка задачи

Необходимо решить дифференциальное уравнение   с начальным условием y(0) = 1 методом:

  •  Эйлера,
  •  уточнённым  Эйлера,
  •  Рунге-Кутты (4-го порядка),
  •  Адамса,
  •  Милна,

на интервале [0;0,5].

Точное решение данного дифференциального уравнения представляется в следующем виде:

  1.  
    Численное решение
    1.  Метод Эйлера 

Вычисления производятся по формулам: ,  где h-шаг, f(x,y)-заданная функция; h = 0,05.

Вычисления представим в виде таблицы:

i

xi

0

0,0000

1,0000

0,0000

0,0000

1

0,0500

1,0000

-0,0526

-0,0026

2

0,1000

0,9974

-0,1144

-0,0057

3

0,1500

0,9916

-0,1881

-0,0094

4

0,2000

0,9822

-0,2784

-0,0139

5

0,2500

0,9683

-0,3921

-0,0196

6

0,3000

0,9487

-0,5415

-0,0271

7

0,3500

0,9216

-0,7493

-0,0375

8

0,4000

0,8842

-1,0654

-0,0533

9

0,4500

0,8309

-1,6253

-0,0813

10

0,5000

0,7496

-3,0058

-0,1503

Значение, вычисленное данным методом: y(0,5) = 0,7496, а точно вычисленное  y(0,5) = 0,5000.

  1.  Уточненный метод Эйлера

Вычисления производятся по формулам: 

 где

h = 0,05; x1/2 = 0,025;  y1/2 = 1;

Вычисления представим в виде таблицы:

i

xi

0

0,0000

1,0000

1

0,0500

0,9987

-0,0256

-0,0013

2

0,1000

0,9974

-0,1143

-0,0057

3

0,1500

0,9873

-0,1943

-0,0097

4

0,2000

0,9780

-0,2853

-0,0143

5

0,2500

0,9588

-0,4109

-0,0205

6

0,3000

0,9369

-0,5701

-0,0285

7

0,3500

0,9017

-0,8124

-0,0406

8

0,4000

0,8557

-1,1946

-0,0597

9

0,4500

0,7823

-2,0094

-0,1005

10

0,5000

0,6547

Значение, вычисленное данным методом: y(0,5) = 0,6547, а точно вычисленное   y(0,5) = 0,5000.

  1.  Метод Рунге-Кутты

Вычисления производятся по формулам: 

 ,где

 

h = 0,05.

Вычисления представим в виде таблицы:

xi

φ0

φ1 

φ2 

φ3

0

0,0000

1,0000

0,0000

-0,0013

-0,0013

-0,0027

-0,0013

1

0,0500

0,9987

-0,0027

-0,0042

-0,0043

-0,0059

-0,0043

2

0,1000

0,9944

-0,0059

-0,0077

-0,0078

-0,0098

-0,0078

3

0,1500

0,9867

-0,0098

-0,0120

-0,0121

-0,0145

-0,0121

4

0,2000

0,9746

-0,0145

-0,0174

-0,0175

-0,0207

-0,0175

5

0,2500

0,9571

-0,0207

-0,0244

-0,0246

-0,0291

-0,0247

6

0,3000

0,9325

-0,0291

-0,0343

-0,0347

-0,0413

-0,0347

7

0,3500

0,8977

-0,0413

-0,0496

-0,0504

-0,0618

-0,0505

8

0,4000

0,8472

-0,0618

-0,0778

-0,0804

-0,1078

-0,0810

9

0,4500

0,7662

-0,1081

-0,1609

-0,1872

-0,5832

-0,2312

10

0,5000

0,5350

-1,3804

0,1235

-0,6473

0,1255

-0,3837

Значение, вычисленное данным методом: y(0,5) = 0,535, а точно вычисленное y(0,5) = 0,5000.

  1.  
    Метод Адамса

Вычисления производятся по формулам: 

,    

где    

Вычисления представим в виде таблицы:

xi 

2

3

4

5

0

0,0000

1,0000

0,0000

-0,0027

1

0,0500

0,9987

-0,0027

-0,0005

-0,0032

-0,0002

2

0,1000

0,9944

-0,0059

-0,0007

-0,0001

-0,0039

-0,0003

-0,000034

3

0,1500

0,9867

-0,0098

-0,0009

-0,0002

-0,0048

-0,0004

-0,000216

4

0,2000

0,9746

-0,0145

-0,0014

-0,0004

-0,0062

-0,0008

-0,000518

5

0,2500

0,9571

-0,0207

-0,0022

-0,0009

-0,0083

-0,0017

-0,001735

6

0,3000

0,9325

-0,0291

-0,0039

-0,0026

-0,0122

-0,0043

-0,009350

7

0,3500

0,8979

-0,0413

-0,0082

-0,0120

-0,0204

-0,0163

-0,173723

8

0,4000

0,8478

-0,0617

-0,0245

-0,1857

-0,0449

-0,2020

9

0,4500

0,7694

-0,1065

-0,2265

-0,2713

10

0,5000

0,6169

-0,3779

Значение, вычисленное данным методом: y(0,5) = 0,6169, а точно вычисленное y(0,5) = 0,5000.

  1.  Метод Милна

Вычисления производятся по формулам:

Формула прогноза:

Формула коррекции:    

Определение начального отрезка y1, y2, y3 произведем по формуле Рунге-Кутта 4-го порядка точности.

y1=y(0,5)=0,9987,      y2=y(0,1)= 0,9944,      y3=y(0,15)= 0,9867;

  Вспомогательная таблица:

xi

yпр

y'пр

yкор

y'кор

0,0000

1,0000

0,0000

1,0000

0,0000

0,0500

0,9987

-0,0541

0,9987

-0,0541

0,1000

0,9944

-0,1181

0,9944

-0,1180

0,1500

0,9867

-0,1952

0,9867

-0,1952

0,2000

0,9746

-0,2909

0,9746

-0,2910

0,2500

0,9572

-0,4141

0,9571

-0,4142

0,3000

0,9326

-0,5809

0,9324

-0,5812

0,3500

0,8981

-0,8246

0,8977

-0,8258

0,4000

0,8482

-1,2311

0,8472

-1,2362

0,4500

0,7706

-2,1196

0,7662

-2,1624

0,5000

0,6221

-7,1915

0,5626

-14,9816

Значение, вычисленное данным методом: y(0,5) = 0,5626, а точно вычисленное y(0,5) = 0,5000.


  1.  Програмная реализация
    1.  Описание основных процедур и функций

      - Procedure Eiler(h, Xo, Xmax, Yo :real; var StringGrid_data: TStringGrid);

         Вычисляются значения точек функции, являющейся решением ОДУ, по методу Эйлера. На выходе получаются массивы чисел типа real, записанные в StringGrid_data.

     - Procedure RK4(h, Xo, Xmax, Yo :real; var StringGrid_data: TStringGrid); Вычисляются значения точек функции, являющейся решением ОДУ, по методу Рунге-Кутты 4 порядка. На выходе получаются массивы чисел типа real, записанные в StringGrid_data.

  1.  
    Блок-схемы основных процедур

Метод Эйлера      Метод Рунге-Кутты 4 порядка


Приложение 1

Текст программы

unit Main_unit;

interface

uses

 Windows, Messages, SysUtils, Variants, Classes, Graphics, Controls, Forms,

 Dialogs, StdCtrls, ExtCtrls, Grids, pngimage;

type

 TForm_lab6 = class(TForm)

   Image_DE: TImage;

   But_calc: TButton;

   StringGrid_data: TStringGrid;

   Edit_Xo: TEdit;

   Edit_Xmax: TEdit;

   Label_Xo: TLabel;

   Label_Xmax: TLabel;

   method_choice: TComboBox;

   Label_DE: TLabel;

   Label_method: TLabel;

   Label_Yo: TLabel;

   Edit_Yo: TEdit;

   procedure But_calcClick(Sender: TObject);

 private

   { Private declarations }

 public

   { Public declarations }

 end;

var

 Form_lab6: TForm_lab6;

implementation

{$R *.dfm}

procedure Eiler(h, Xo, Xmax, Yo :real; var StringGrid_data: TStringGrid);

var

 yi_1,y1,y2,x,y,dydx,dy : real;

 i:integer;

begin

 StringGrid_data.Visible:=true;

 StringGrid_data.Cells[0,0]:='     n  ';

 StringGrid_data.Cells[1,0]:='     x  ';

 StringGrid_data.Cells[2,0]:='     y  ';

 StringGrid_data.Cells[3,0]:='     dy/dx  ';

 StringGrid_data.Cells[4,0]:='     dy ';

 for i:= 0 to 10 do

   begin

     StringGrid_data.Cells[0,i+1]:=inttostr(i);

     StringGrid_data.Cells[1,i+1]:=FloatToStr(Xo+h*i);

   end;

 StringGrid_data.Cells[2,1]:='1';

 for i:= 2 to 11 do

   begin

     yi_1:=strtofloat(StringGrid_data.Cells[2,i-1]);

     x:= strtofloat(StringGrid_data.Cells[1,i-1]);

     y:= strtofloat(StringGrid_data.Cells[2,i-1]);

     StringGrid_data.Cells[2,i]:=floattostr(Yo+h*(1/(x-y)+1));

     y1:=strtofloat(StringGrid_data.Cells[2,i-1]);

     y2:=strtofloat(StringGrid_data.Cells[2,i]);

     dy:=y2-y1;

     StringGrid_data.Cells[4,i-1]:=floattostr(dy);

   end;

 for i:= 1 to 11 do

   begin

     y:=strtofloat(StringGrid_data.Cells[2,i]);

     x:= strtofloat(StringGrid_data.Cells[1,i]);

     StringGrid_data.Cells[3,i]:=floattostr(1/(x-y)+1);

   end;

end;

procedure RK4(h, Xo, Xmax, Yo :real; var StringGrid_data: TStringGrid);

var

 f0,f1,f2,f3, Xi,Yi : real;

 Xmas,Ymas: array [1..10] of real;

 yi_1,y1,y2,x,y,dy : real;

 i:integer;

begin

 StringGrid_data.Visible:=true;

 StringGrid_data.Cells[0,0]:='     n  ';

 StringGrid_data.Cells[1,0]:='     x  ';

 StringGrid_data.Cells[2,0]:='     y  ';

 StringGrid_data.Cells[3,0]:='     f0  ';

 StringGrid_data.Cells[4,0]:='     f1  ';

 StringGrid_data.Cells[5,0]:='     f2  ';

 StringGrid_data.Cells[6,0]:='     f3  ';

 StringGrid_data.Cells[7,0]:='     dy ';

 for i:= 0 to 10 do

   begin

     StringGrid_data.Cells[0,i+1]:=inttostr(i);

     StringGrid_data.Cells[1,i+1]:=FloatToStr(Xo+h*i);

   end;

 StringGrid_data.Cells[2,1]:=FloatToStr(Yo);

 for i := 0 to 10 do

 begin

   Xi:= StrToFloat(StringGrid_data.Cells[1,i+1]);

   Yi:= StrToFloat(StringGrid_data.Cells[2,i+1]);

   f0:= h*(1/(Xi-Yi)+1);

   f1:=h*(1/((Xi+0.5*h)-(Yi+0.5*f0))+1);

   f2:=h*(1/((Xi+0.5*h)-(Yi+0.5*f1))+1);

   f3:=h*(1/((Xi+h)-(Yi+f2))+1);

   dy:=1/6*(f0+2*f1+2*f2+f3);

   StringGrid_data.Cells[2,i+2]:=floattostr(Yi+dy);

   StringGrid_data.Cells[3,i+1]:=floattostr(f0);

   StringGrid_data.Cells[4,i+1]:=floattostr(f1);

   StringGrid_data.Cells[5,i+1]:=floattostr(f2);

   StringGrid_data.Cells[6,i+1]:=floattostr(f3);

   StringGrid_data.Cells[7,i+1]:=floattostr(dy);

 end;

end;

procedure TForm_lab6.But_calcClick(Sender: TObject);

var

 Xo, Xmax, Yo: real;

 yi_1,y1,y2,x,y,dydx,dy : real;

 i:integer;

 h : real;

begin

 Xo:=Strtofloat(Edit_Xo.Text);

 Xmax:=Strtofloat(Edit_Xmax.Text);

 h:=(Xmax-Xo)/10;

 Yo:=Strtofloat(Edit_Yo.Text);

 if method_choice.Text='Эйлера' then

   Eiler(h,Xo,Xmax,Yo,StringGrid_data)

   else

   if method_choice.Text='Рунге-Кутты' then

     RK4(h,Xo,Xmax,Yo,StringGrid_data) end; end.

  1.  
    Решение в среде Mathcad
  2.  

    Результаты вычислений

Метод

(Yi)

Xi

Метод Эйлера

Уточненный метод Эйлера

Метод Рунге-Кутта 4го порядка

Метод Адамса

Метод Милна

Точное решение

0,0000

1,0000

1,0000

1,0000

1,0000

1,0000

1,0000

0,0500

1,0000

0,9987

0,9987

0,9987

0,9987

0,9987

0,1000

0,9974

0,9974

0,9944

0,9944

0,9944

0,9944

0,1500

0,9916

0,9873

0,9867

0,9867

0,9867

0,9867

0,2000

0,9822

0,9780

0,9746

0,9746

0,9746

0,9746

0,2500

0,9683

0,9588

0,9571

0,9571

0,9571

0,9571

0,3000

0,9487

0,9369

0,9325

0,9325

0,9324

0,9325

0,3500

0,9216

0,9017

0,8977

0,8979

0,8977

0,8977

0,4000

0,8842

0,8557

0,8472

0,8478

0,8472

0,8472

0,4500

0,8309

0,7823

0,7662

0,7694

0,7662

0,7662

0,5000

0,7496

0,6547

0,5350

0,6169

0,5626

0,5000


Вывод

При выполнении данной лабораторной работы были получены теоретические и практические навыки в приближенном решении дифференциальных уравнений первого порядка с начальным условием методами Эйлера, Эйлера (уточнённый), Рунге-Кутты, Адамса, Милна. Сравнивая полученные результаты вычислений с истинным значением можно сделать вывод, что наибольшей точностью из всех рассмотренных методов для данного дифференциального уравнения обладает метод Рунге-Кутты 4-го порядка.

 


Министерство образования и науки РФ

Федеральное Государственное Бюджетное образовательное

учреждение высшего  
пр
офессионального образования

«Белгородский Государственный Технологический Университет им. В.Г. Шухова»
(БГТУ им. В.Г. Шухова)

ИИТУС

Кафедра: «Техническая кибернетика»

Лабораторная работа №6

дисциплина: «Численные методы и оптимизация»

тема:  «Численное решение обыкновенных дифференциальных

уравнений»

Вариант 1

Выполнил:
студент группы АП-21

Андрианов А.Ю.

Принял:

ст. препод. кафедры ТК
Рыбин И.А.

Белгород 2013

  1.  

Да

Нет

ачало

x0 ,y0, h, n

x[0]=Xo

y[0]=Yo

i=1

i>=n

y[i]=y[i]+h*f(x,y)

x[i]=x[i]+h

i=i+1

Конец


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

59187. СВЯТО ПИСАНКИ 83 KB
  Ведуча: Ой що в Софіївському заграли Дзвони затремтіли Не білі голуби янголи в небі полетіли. Ведуча: А між тим нашій незалежності пішов вже десятий рік. Ведуча: В очі нам дивляться ті хто клав своє життя на алтар Вітчизни від звитяжців Запорізької Січі до в’язнів сталінських...
59188. Лицарі ввічливості 37 KB
  І ведучий: Доброго дня дорогі друзі ІІ ведучий: Доброго здоров’я ІІ ведучий: Раді бачити вас у цьому залі І ведучий: Сьогодні у нас відбудеться турнір лицарів ввічливості. ІІ ведучий: У ньому беруть участь ваші ровесники знавці правил ввічливості і хорошого тону.
59189. Сценарій спортивного свята 24.5 KB
  Естафета з обручами Дві команди за сигналом по одному від кожної команди біжать до півфінішної прямої. 3 естафета.
59190. БАТЬКИ І ДІТИ 45.5 KB
  Ми раді вітати Вас сьогодні у нашій світлиці на нашому родинному святі. У дитячому садку ми знайомимо дітей з обрядами та звичаями нашого народу, з казками та приказками, вчимо загадки, прислівя, вірші, скоромовки. А сьогодні будемо вести розмову про родину.
59191. Ой на Йвана, ой на Купала 32.5 KB
  Добре й літом у лісочку На травичці в холодочку Відпочити погуляти Зілля квітів тут нарвати Дівчата прикрасимо нашу купальницю щоб була ще красивіша. Дівчата збирають квіти плетуть вінки прикрашають ними деревце купальницю і співають...
59193. Новий рік 17.5 KB
  ік старий вирушає в дорогу Залишає нам зоряний дім Кожний кожному щастя нового Зичить радісно з роком Новим. Ведуча: Пада пада сніг лапатий Вже ступило на поріг В кожен дім це світле свято Здравствуй здраствуй Новий рік.
59194. Свято матері 33.5 KB
  ІІ Ведучий: Свято це прийшло до нас з американського континенту у 1914 р. І Ведучий: Так цей день Друга неділя Травня кожного року став міжнародним святом у найкращому розумінні цього слова. ІІ Ведучий: А 1929 рік за почином Союзу Українок був першим роком Свята Української Матері в Галичині.
59195. Свято останнього шкільного дзвоника 44 KB
  Починається нове життя від шкільного порога хай веде вас до вершин невідома дорога. Кожному з вас вони подарували найцінніше життя. Вам жити і дарувати життя іншим. Хай завжди скрізь і всюди зігрівається і освітлює вашу життєву дорогу полумя символічного фактела життя.