66549

Решение граничных задач для ОДУ. Метод сеток для дифференциальных уравнений в частных производных

Лабораторная работа

Информатика, кибернетика и программирование

В прямоугольной области строится сеточная область из одинаковых ячеек и приближающая область. В каждом узле исходное уравнение заменяется конечно-разностным уравнением. Приближенные значения производных в каждом узле находятся по значениям искомой функции в соседних узлах.

Русский

2014-08-22

196.5 KB

7 чел.

Выполнил: Марудо А.В., 2 курс, 3 группа

Проверил: Шапочкина Ирина Викторовна

Лабораторная работа #5(вариант #7)

Тема: Решение граничных задач для ОДУ. Метод сеток для дифференциальных уравнений в частных производных.

Цель: Используя метод сеток решить задачу Дирихле для уравнения Лапласа. Решить ОДУ с граничными условиями, результаты представить графически.

Задание 1

Условие: Используя метод сеток, составить приближенное решение задачи Дирихле для уравнения Лапласа  для функции  в прямоугольной области при заданных граничных условиях:

         

         

Ход работы: 

Теория метода сеток:

В прямоугольной области строится сеточная область из одинаковых ячеек и приближающая область. В каждом узле исходное уравнение заменяется конечно-разностным уравнением. Приближенные значения производных в каждом узле находятся по значениям искомой функции в соседних узлах. Решение в граничных узлах сеточной области находится из граничных условий. Для решения разностной задачи используется метод релаксации, при котором каждая разностная схема решается относительно центрального узла.

Код программы:

function f1(x: real): real;    //U(x,1)

 begin

  f1:=-1/(sqr(x)+1);

 end;

 function f2(x: real): real;     //U(x,3)

 begin

  f2:=-3/(sqr(x)+9);

 end;

 function p1(y: real): real;       //U(0,y)

 begin

  p1:=-1/y;

 end;

 function p2(y: real): real;       //U(1,y)

 begin

  p2:=-y/(1+sqr(y));

 end;

procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);

 var

  h, l, x, y, t, uk, m: real;

  i, j: integer;

  u: array [1..11,1..11] of real;

  const

  a1=0;         //U(0,y)

  a2=1;         //U(1,y)

  b1=1;         //U(x,1)

  b2=3;         //U(x,3)

  e=0.01;

 begin

  h:=0.1;

  l:=0.2;

  for i:=1 to 10 do

   for j:=1 to 10 do u[i,j]:=0;

//зададим граничные условия

  for i:=1 to 11 do

   begin

    x:=a1+(i-1)*h;

    u[i,1]:=f1(x);

    u[i,11]:=f2(x);

   end;

  for j:=1 to 11 do

   begin

    y:=b1+(j-1)*l;

    u[1,j]:=p1(y);

    u[11,j]:=p2(y);

   end;

//произведем ряд приближений

  t:=h*h/(l*l);

  repeat

  m:=0;

  for i:=2 to 10 do

   for j:=2 to 10 do

    begin

     uk:=u[i,j];

     u[i,j]:=(u[i+1,j]+u[i-1,j]+t*(u[i,j+1]+u[i,j-1]))/(2+2*t);

     if m<abs(u[i,j]-uk) then m:=abs(u[i,j]-uk);

    end;

  until m<e;

//выводим сетку на форму

  for i:=1 to 11 do

    for j:=1 to 11 do

      StringGrid.Cells[j-1,i-1]:=floattostr(roundto(u[i,j],-2));

 end;

Полученные результаты:

Вывод:

По таблице видно, что результат достаточно точный, что и обусловливается погрешностью в 0.01.

Задание 2

Условие: Дано ОДУ:

Найти решение этого уравнения, удовлетворяющее граничным условиям:

         

при следующих значениях параметров:         

Построить график полученной зависимости .

Ход работы:

Теория метода конечных разностей:

Разбиваем отрезок [0,1] на части с постоянным шагом h с помощью узлов . Аппроксимируем вторую производную конечно-разностным соотношением , при этом значение искомой функции в узлах  приближенно заменяем соответствующими значениями сеточной функции :

;

Получилась система n-1 линейных уравнений, число которых совпадает с числом неизвестных значений сеточной функции  в узлах. Ее значение на концах отрезка определены граничными условиями:  и .

Решая систему уравнений находим значение сеточной функции, которые приближенно равны значениям искомой функции.

Система уравнений имеет трехдиагональный вид на главной диагонали которой находятся элементы .

Код программы:

function fp(t: real): real;

 begin

  result:=t/(b+sqr(t));

 end;

 function fq(t: real): real;

 begin

  result:=-(1+cos(t))/sqrt(sqr(a)+sqr(t));

 end;

 function fr(t: real): real;

 begin

  result:=exp(-a*sqr(t));

 end;

 procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);

 var

  h, g1, g2, g3, g4, g5, g6, x0, xkon: real;

  i, n: integer;

  x, l, k, y, p, r, q: array of real;

 begin

  Chart1.Series[0].Clear;

  x0:=0;

  xkon:=1;

  g1:=1;

  g2:=-0.5;

  g3:=1;

  g4:=4.5;

  g5:=0.3;

  g6:=4.7;

  h:=StrToFloat(Edit1.Text);

  n:=round((xkon-x0)/h);

  SetLength(x,n+1);

  SetLength(y,n+1);

  SetLength(l,n+1);

  SetLength(k,n+1);

  SetLength(p,n+1);

  SetLength(q,n+1);

  SetLength(r,n+1);

  for i:=0 to n do

   begin

    x[i]:=x0+i*h;

    p[i]:=fp(x[i]);

    q[i]:=fq(x[i]);

    r[i]:=fr(x[i]);

   end;

//прямой ход решения трехдиагональной матрицы

  k[0]:=(h*h*r[0]*g2+h*(2-h*p[0])*g3)/((h*h*q[0]-2)*g2+h*(2-p[0])*g1);

  l[0]:=(2*g2)/((h*h*q[0]-2)*g2+h*(2-h*p[0])*g1);

  for i:=1 to n do

   begin

    k[i]:=(2*h*h*r[i]-(2-h*p[i])*k[i-1])/(2*h*h*q[i]-4-(2-h*p[i])*l[i-1]);

    l[i]:=(2+h*p[i])/(2*h*h*q[i]-4-(2-h*p[i])*l[i-1]);

   end;

//обратный ход

  y[n]:=(2*h*g6+(k[n-1]-k[n]/l[n])*g5)/(2*h*g4+(l[n-1]-1/l[n])*g5);

  for i:=(n-1) downto 0 do y[i]:=k[i]-l[i]*y[i+1];

  for i:=0 to n do Chart1.Series[0].AddXY(x[i],y[i]);

 end;

Полученные результаты:

Вывод:

Из графика видно, что граничные условия выполняются достаточно точно. Точность можно увеличить, уменьшив шаг.

БГУ

Физический факультет

2011/2012 учебный год

Минск

PAGE   \* MERGEFORMAT 5


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

570. Исследование и настройка узлов магнитофона 75 KB
  Изучить строение магнитофона и дать оценку его функционированию. Проверка магнитофона произошла успешно, были выявлены неточности и недостатки в работе, но в общем можно сказать, что данный магнитофон пригоден для работы, и может использоваться в домашних условиях.
571. Расчет однопредметной прерывно – поточной производственной линии по обработке детали 866 KB
  Принципы организации производственного процесса. Характеристика прямоточных однопредметных линий с точки зрения основных принципов организации производства. Выбор и обоснование типов производства и вида поточной линии (участка)
572. Особенности демографической ситуации в России 515.5 KB
  Структуры населения: Трудовая, этническая, семейная. Статистика уровня жизни населения и демографическая ситуация в стране. Обобщающие показатели уровня жизни населения. Основные показатели естественного движения населения.
573. Робоче місце оператора комп’ютерного набору. Ергономіка і організація праці 81.5 KB
  Робоче місце – це зона трудової діяльності співробітника, яке оснащене необхідними засобами для виконання посадових обов’язків. Серед канцелярських приладів і спеціального обладнання можна виділити предмети, які найбільш часто використовуються при роботі з документами.
574. Процедура проведення фокус-групи 79 KB
  Метод фокус-груп, або сфокусоване інтерв'ю вперше був використаний соціологами Р.Мертоном і Р. Кендаллом (США) в 1944 г, що випустили підручник Фокусированное інтерв'ю (який і до цього дня залишається основним навчальним посібником).
575. Программирование интерактивной графики на Action Script 2.0 Adobe Flash 63 KB
  Среда Adobe Flash позволяет создавать графику, анимации и интерактивные проекты. Для того чтобы вызвать все функции одновременно можно использовать супер функцию. Создание интерактивности. Увеличение и уменьшение объекта по движении мыши.
576. Проектирование кулачковых механизмов 73 KB
  Построение графиков перемещения, аналога скорости и аналога ускорения. Определение минимального радиуса кулачка. Построение практического профиля кулачка. Построение графика углов передачи.
577. Разработка товарной политики предприятия 5.23 MB
  Комплексный анализ выпускаемой продукции. Расчет и анализ основных результатов хозяйственной деятельности предприятия. Выработка общей концепции стратегического развития предприятия. Рассчёт и анализ результатов хозяйственной деятельности предприятия.
578. Расчёт термодинамических циклов 3.66 MB
  Исследование термодинамического цикла ДВС. Определение параметров рабочего тела в характерных точках цикла. Определение количества тепла участвующего в термодинамическом цикле. Определение параметров рабочего тела в характерных точках. Определение КПД паросиловой установки с учётом и без учёта работы насоса.