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

6360. Класс форм Form 94.05 KB
  Класс форм Form Класс Form добавляет значительную функциональность базовому классу Control. Клиентское Windows приложения может содержать одну форму или множество форм. Эти формы могут быть приложениями, основанными на Single Document Interface (SDI...
6361. Загальна характеристика онтогенезу людської психіки 86.5 KB
  Загальна характеристика онтогенезу людської психіки Розвиток і формування Особливості психічного розвитку Рушійні сили розвитку психіки Навчання, виховання і розвиток психіки Вікова періодизація психічного розвитку РОЗВИТОК І ФОРМУ...
6362. Створення і використання таблиць 43 KB
  Створення і використання таблиць Для створення таблиць необхідно відкрити вкладку Вставка і знайти групу команд Таблицы. Після клацання по кнопці Таблица відкриється меню з параметрами створення таблиці. З меню можна вибрати один із варіа...
6363. Структура і функції соціології як науки 67 KB
  Структура і функції соціології як науки План: Структура соціологічної науки. Функції соціології. Структура соціологічної науки Соціологія як наука про соціальні відносини, механізми та закономірності функціонування і розвитку різно...
6364. Соединительная ткань 1.47 MB
  Соединительная ткань Соединительная ткань преобладает в организме и очень важна. Среди её функций главные функции: защитная (противоинфекционная защита, ограничение тканевых повреждений, репарация) опорно-структурная. Задача настоящей лекции о...
6365. Організація індивідуально-виховної роботи в підрозділі 142.5 KB
  Загальне керівництво виховною роботою здійснює командир підрозділу. У підрозділах виховну роботу організують та проводять заступники командирів з виховної роботи. При плануванні, організації та проведенні виховної роботи враховуються типові за...
6366. Особливості професійного спілкування 69 KB
  Особливості професійного спілкування План Види, типи і форми професійного спілкування. Функції спілкування. Утруднення в спілкуванні. Спілкування завжди пов’язане з певним предметом спілкування, який визначає сутність, специфі...
6367. Психологічні особливості, типологія студентів і формування студентського колективу 124 KB
  Психологічні особливості, типологія студентів і формування студентського колективу План Психологічні особливості студентського віку. Типологія студентів. Діалектика становлення і розвитку студентського колективу: академічної групи,...
6368. Політичні партії і партійні системи зарубіжних країн 37.93 KB
  Політичні партії і партійні системи зарубіжних країн План 1. Політичні партії: поняття, сутність, функції. 2. Класифікація політичних партій, їх організаційна структура. 3. Інституціоналізація політичних партій. 4. Партійні системи зарубіжних країн....