Лабораторная работа 1

Численные методы решения

обыкновенных дифференциальных уравнений (4 часа)

При решении многих физических и геометрических задач приходится искать неизвестную функцию по данному соотношению между неизвестной функцией, ее производными и независимыми переменными. Такое соотношение называется дифференциальным уравнением , а отыскание функции, удовлетворяющей дифференциальному уравнению, называется решением дифференциального уравнения.

Обыкновенным дифференциальным уравнением называется равенство

в котором

Задача заключается в нахождении функции y, удовлетворяющей равенству (1). Более того, не оговаривая это отдельно, будем предполагать, что искомое решение обладает той или иной степенью гладкости, необходимой для построения и «законного» применения того или иного метода.

Различают два типа обыкновенных дифференциальных уравнений

Уравнения без начальных условий

Уравнения с начальными условиями.

Уравнения без начальных условий - это уравнение вида (1).

Уравнение с начальными условиями - это уравнение вида (1), в котором требуется найти такую функцию

т.е. в точке

Задачи Коши

При изучении способов решения дифференциальных уравнений приближенными методами основной задачей считается задача Коши.

Рассмотрим наиболее популярный метод решения задачи Коши – метод Рунге-Кутта. Этот метод позволяет строить формулы расчета приближенного решения практически любого порядка точности.

Выведем формулы метода Рунге-Кутта второго порядка точности. Для этого решение представим куском ряда Тейлора, отбрасывая члены с порядком выше второго. Тогда приближенное значение искомой функции в точке x 1 можно записать в виде:

Вторую производную y "( x 0 ) можно выразить через производную функции f ( x , y ) , однако в методе Рунге-Кутта вместо производной используют разность

соответственно подбирая значения параметров

Тогда (2) можно переписать в виде:

y 1 = y 0 + h [ β f ( x 0 , y 0 ) + α f ( x 0 + γh , y 0 + δh )], (3)

где α , β , γ и δ – некоторые параметры.

Рассматривая правую часть (3) как функцию аргумента h , разложим ее по степеням h :

y 1 = y 0 +( α + β ) h f ( x 0 , y 0 ) + αh 2 [ γ f x ( x 0 , y 0 ) + δ f y ( x 0 , y 0 )],

и выберем параметры α , β , γ и δ так, чтобы это разложение было близко к (2). Отсюда следует, что

α + β =1, αγ =0,5, α δ =0,5 f ( x 0 , y 0 ).

С помощью этих уравнений выразим β , γ и δ через параметры α , получим

y 1 = y 0 + h [(1 - α ) f ( x 0 , y 0 ) + α f ( x 0 +, y 0 + f ( x 0 , y 0 )], (4)

0 < α ≤ 1.

Теперь, если вместо (x 0 , y 0 ) в (4) подставить (x 1 , y 1 ), получим формулу для вычисления y 2 – приближенного значения искомой функции в точке x 2 .

В общем случае метод Рунге-Кутта применяется на произвольном разбиении отрезка [ x 0 , X ] на n частей, т.е. с переменным шагом

x 0 , x 1 , …,x n ; h i = x i+1 – x i , x n = X. (5)

Параметры α выбирают равными 1 или 0,5. Запишем окончательно расчетные формулы метода Рунге-Кутта второго порядка с переменным шагом для α =1:

y i+1 =y i +h i f(x i + , y i + f(x i , y i)), (6.1)

i = 0, 1,…, n -1.

и α =0,5:

y i+1 =y i + , (6.2)

i = 0, 1,…, n -1.

Наиболее употребляемые формулы метода Рунге-Кутта – формулы четвертого порядка точности:

y i+1 =y i + (k 1 + 2k 2 + 2k 3 + k 4),

k 1 =f(x i , y i), k 2 = f(x i + , y i + k 1), (7)

k 3 = f(x i + , y i + k 2), k 4 = f(x i +h, y i +hk 3).

Для метода Рунге-Кутта применимо правило Рунге для оценки погрешности. Пусть y ( x ; h ) – приближенное значение решения в точке x , полученное по формулам (6.1), (6.2) или (7) с шагом h , а p – порядок точности соответствующей формулы. Тогда погрешность R ( h ) значения y ( x ; h ) можно оценить, используя приближенное значение y ( x ; 2 h ) решения в точке x , полученное с шагом 2 h :

где p =2 для формул (6.1) и (6.2) и p =4 для (7).

Численное решение дифференциальных уравнений

Многие задачи науки и техники сводятся к решению обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ). ОДУ называются такие уравнения, которые содержат одну или несколько производных от искомой функции. В общем виде ОДУ можно записать следующим образом:

Где x – независимая переменная, - i-ая производная от искомой функции. n - порядок уравнения. Общее решение ОДУ n–го порядка содержит n произвольных постоянных , т.е. общее решение имеет вид .

Для выделения единственного решения необходимо задать n дополнительных условий. В зависимости от способа задания дополнительных условий существуют два различных типа задач: задача Коши и краевая задача. Если дополнительные условия задаются в одной точке, то такая задача называется задачей Коши. Дополнительные условия в задаче Коши называются начальными условиями. Если же дополнительные условия задаются в более чем одной точке, т.е. при различных значениях независимой переменной, то такая задача называется краевой. Сами дополнительные условия называются краевыми или граничными.

Ясно, что при n=1 можно говорить только о задачи Коши.

Примеры постановки задачи Коши :

Примеры краевых задач :

Решить такие задачи аналитически удается лишь для некоторых специальных типов уравнений.

Численные методы решения задачи Коши для ОДУ первого порядка

Постановка задачи . Найти решение ОДУ первого порядка

На отрезке при условии

При нахождении приближенного решения будем считать, что вычисления проводятся с расчетным шагом , расчетными узлами служат точки промежутка [x 0 , x n ].

Целью является построение таблицы

т.е. ищутся приближенные значения y в узлах сетки.

Интегрируя уравнение на отрезке , получим

Вполне естественным (но не единственным) путем получения численного решения является замена в нем интеграла какой–либо квадратурной формулой численного интегрирования. Если воспользоваться простейшей формулой левых прямоугольников первого порядка

,

то получим явную формулу Эйлера :

Порядок расчетов:

Зная , находим , затем т.д.

Геометрическая интерпретация метода Эйлера :

Пользуясь тем, что в точке x 0 известно решение y (x 0) = y 0 и значение его производной , можно записать уравнение касательной к графику искомой функции в точке :. При достаточно малом шаге h ордината этой касательной, полученная подстановкой в правую часть значения , должна мало отличаться от ординаты y (x 1) решенияy (x ) задачи Коши. Следовательно, точка пересечения касательной с прямой x = x 1 может быть приближенно принята за новую начальную точку. Через эту точку снова проведем прямую , которая приближенно отражает поведение касательной к в точке . Подставляя сюда (т.е. пересечение с прямой x = x 2), получим приближенное значение y (x ) в точке x 2: и т.д. В итоге для i –й точки получим формулу Эйлера.

Явный метод Эйлера имеет первый порядок точности или аппроксимации.

Если использовать формулу правых прямоугольников: , то придем к методу

Этот метод называют неявным методом Эйлера , поскольку для вычисления неизвестного значения по известному значению требуется решать уравнение, в общем случае нелинейное.

Неявный метод Эйлера имеет первый порядок точности или аппроксимации.

В данном методе вычисление состоит из двух этапов:

Данная схема называется еще методом предиктор – корректор (предсказывающее – исправляющее). На первом этапе приближенное значение предсказывается с невысокой точностью (h), а на втором этапе это предсказание исправляется, так что результирующее значение имеет второй порядок точности.

Методы Рунге – Кутта: идея построения явных методов Рунге–Кутты p –го порядка заключается в получении приближений к значениям y (x i +1) по формуле вида

…………………………………………….

Здесь a n , b nj , p n , – некоторые фиксированные числа (параметры).

При построения методов Рунге–Кутты параметры функции (a n , b nj , p n ) подбирают таким образом, чтобы получить нужный порядок аппроксимации.

Схема Рунге – Кутта четвертого порядка точности :

Пример . Решить задачу Коши:

Рассмотреть три метода: явный метод Эйлера, модифицированный метод Эйлера, метод Рунге – Кутта.

Точное решение:

Расчетные формулы по явному методу Эйлера для данного примера:

Расчетные формулы модифицированного метода Эйлера:

Расчетные формулы метода Рунге – Кутта:

y1 – метод Эйлера, y2 – модифицированный метод Эйлера, y3 – метод Рунге Кутта.

Видно, что самым точным является метод Рунге – Кутта.

Численные методы решения систем ОДУ первого порядка

Рассмотренные методы могут быть использованы также для решения систем дифференциальных уравнений первого порядка.

Покажем это для случая системы двух уравнений первого порядка:

Явный метод Эйлера:

Модифицированный метод Эйлера:

Схема Рунге – Кутта четвертого порядка точности:

К решению систем уравнений ОДУ сводятся также задачи Коши для уравнений высших порядков. Например, рассмотрим задачу Коши для уравнения второго порядка

Введем вторую неизвестную функцию . Тогда задача Коши заменяется следующей:

Т.е. в терминах предыдущей задачи: .

Пример. Найти решение задачи Коши :

На отрезке .

Точное решение:

Действительно:

Решим задачу явным методом Эйлера, модифицированным методом Эйлера и Рунге – Кутта с шагом h=0.2.

Введем функцию .

Тогда получим следующую задачу Коши для системы двух ОДУ первого порядка:

Явный метод Эйлера:

Модифицированный метод Эйлера:

Метод Рунге – Кутта:

Схема Эйлера:

Модифицированный метод Эйлера:

Схема Рунге - Кутта:

Max(y-y теор)=4*10 -5

Метод конечных разностей решения краевых задач для ОДУ

Постановка задачи : найти решение линейного дифференциального уравнения

удовлетворяющего краевым условиям:. (2)

Теорема. Пусть . Тогда существует единственное решение поставленной задачи.

К данной задаче сводится, например, задача об определении прогибов балки, которая на концах опирается шарнирно.

Основные этапы метода конечных разностей:

1) область непрерывного изменения аргумента () заменяется дискретным множеством точек, называемых узлами: .

2) Искомая функция непрерывного аргумента x, приближенно заменяется функцией дискретного аргумента на заданной сетке, т.е. . Функция называется сеточной.

3) Исходное дифференциальное уравнение заменяется разностным уравнением относительно сеточной функции. Такая замена называется разностной аппроксимацией.

Таким образом, решение дифференциального уравнения сводится к отысканию значений сеточной функции в узлах сетки, которые находятся из решения алгебраических уравнений.

Аппроксимация производных.

Для аппроксимации (замены) первой производной можно воспользоваться формулами:

- правая разностная производная,

- левая разностная производная,

Центральная разностная производная.

т.е., возможно множество способов аппроксимации производной.

Все эти определения следуют из понятия производной как предела: .

Опираясь на разностную аппроксимацию первой производной можно построить разностную аппроксимацию второй производной:

Аналогично можно получить аппроксимации производных более высокого порядка.

Определение. Погрешностью аппроксимации n- ой производной называется разность: .

Для определения порядка аппроксимации используется разложение в ряд Тейлора.

Рассмотрим правую разностную аппроксимацию первой производной:

Т.е. правая разностная производная имеет первый по h порядок аппроксимации.

Аналогично и для левой разностной производной.

Центральная разностная производная имеет второй порядок аппроксимации .

Аппроксимация второй производной по формуле (3) также имеет второй порядок аппроксимации.

Для того чтобы аппроксимировать дифференциальное уравнение необходимо в нем заменить все производные их аппроксимациями. Рассмотрим задачу (1), (2) и заменим в(1) производные:

В результате получим:

(4)

Порядок аппроксимации исходной задачи равен 2, т.к. вторая и первая производные заменены с порядком 2, а остальные – точно.

Итак, вместо дифференциальных уравнений (1), (2) получена система линейных уравнений для определения в узлах сетки.

Схему можно представить в виде:

т.е., получили систему линейных уравнений с матрицей:

Данная матрица является трехдиагональной, т.е. все элементы, которые расположены не на главной диагонали и двух прилегающих к ней диагоналях равны нулю.

Решая полученную систему уравнений, мы получим решение исходной задачи.

Дифференциальные уравнения - это уравнения, в которые неизвестная функция входит под знаком производной. Основная задача теории дифференциальных уравнений -- изучение функций, являющихся решениями таких уравнений.

Дифференциальные уравнения можно разделить на обыкновенные дифференциальные уравнения, в которых неизвестные функции являются функциями одной переменной, и на дифференциальные уравнения в частных производных, в которых неизвестные функции являются функциями двух и большего числа переменных.

Теория дифференциальных уравнений в частных производных более сложная и рассматривается в более полных или специальных курсах математики.

Изучение дифференциальных уравнений начнем с наиболее простого уравнения--уравнения первого порядка.

Уравнение вида

F(x,y,y") = 0,(1)

где х -- независимая переменная; у -- искомая функция; у" -- ее производная, называется дифференциальным уравнением первого порядка.

Если уравнение (1) можно разрешить относительно у", то оно принимает вид

и называется уравнением первого порядка, разрешенным относительно производной.

В некоторых случаях уравнение (2) удобно записать в виде f (х, у) dх - dy = 0, являющемся частным случаем более общего уравнения

P(x,y)dx+Q(x,y)dy=O,(3)

где Р(х,у) и Q(х,у) -- известные функции. Уравнение в симметричной форме (3) удобно тем, что переменные х и у в нем равноправны, т. е. каждую из них можно рассматривать как функцию другой.

Дадим два основных определения общего и частного решения уравнения.

Общим решением уравнения (2) в некоторой области G плоскости Оху называется функция у=ц(х,С), зависящая от х и произвольной постоянной С, если она является решением уравнения (2) при любом значении постоянной С, и если при любых начальных условиях y x=x0 =y 0 таких, что (x 0 ;y 0)=G, существует единственное значение постоянной С = С 0 такое, что функция у=ц(х,С 0) удовлетворяет данным начальным условиям у=ц(х 0 ,С).

Частным решением уравнения (2) в области G называется функция у=ц(х,С 0), которая получается из общего решения у=ц(х,С) при определенном значении постоянной С=С 0 .

Геометрически общее решение у=ц(х,С) представляет собой семейство интегральных кривых на плоскости Оху, зависящее от одной произвольной постоянной С, а частное решение у=ц(х,С 0) -- одну интегральную кривую этого семейства, проходящую через заданную точку (х 0 ; у 0).

Приближенное решение дифференциальных уравнений первого порядка методом Эйлера. Суть этого метода состоит в том, что искомая интегральная кривая, являющаяся графиком частного решения, приближенно заменяется ломаной. Пусть даны дифференциальное уравнение

и начальные условия y |x=x0 =y 0 .

Найдем приближенно решение уравнения на отрезке [х 0 ,b], удовлетворяющее заданным начальным условиям.

Разобьем отрезок [х 0 ,b] точками х 0 <х 1 ,<х 2 <...<х n =b на n равных частей. Пусть х 1 --х 0 =х 2 -- x 1 = ... =x n -- x n-1 = ?x. Обозначим через y i приближенные значения искомого решения в точках х i (i=1, 2, ..., n). Проведем через точки разбиения х i - прямые, параллельные оси Оу, и последовательно проделаем следующие однотипные операции.

Подставим значения х 0 и у 0 в правую часть уравнения y"=f(x,y) и вычислим угловой коэффициент y"=f(x 0 ,y 0) касательной к интегральной кривой в точке (х 0 ;у 0). Для нахождения приближенного значения у 1 искомого решения заменяем на отрезке [х 0 ,x 1 ,] интегральную кривую отрезком ее касательной в точке (х 0 ;у 0). При этом получаем

y 1 - y 0 =f(x 0 ;y 0)(x 1 - x 0),

откуда, так как х 0 , х 1 , у 0 известны, находим

y1 = y0+f(x0;y0)(x1 - x0).

Подставляя значения х 1 и y 1 , в правую часть уравнения y"=f(x,y), вычисляем угловой коэффициент y"=f(x 1 ,y 1) касательной к интегральной кривой в точке (х 1 ;y 1). Далее, заменяя на отрезке интегральную кривую отрезком касательной, находим приближенное значение решения у 2 в точке х 2:

y 2 = y 1 +f(x 1 ;y 1)(x 2 - x 1)

В этом равенстве известными являются х 1 , у 1 , х 2 , а у 2 выражается через них.

Аналогично находим

y 3 = y 2 +f(x 2 ;y 2) ?x, …, y n = y n-1 +f(x n-1 ;y n-1) ?x

Таким образом, приближенно построена искомая интегральная кривая в виде ломаной и получены приближенные значения y i искомого решения в точках х i . При этом значения у i вычисляются по формуле

y i = y i-1 +f(x i-1 ;y i-1) ?x (i=1,2, …, n).

Формула и является основной расчетной формулой метода Эйлера. Ее точность тем выше, чем меньше разность?x.

Метод Эйлера относиться к численным методам, дающим решение в виде таблицы приближенных значений искомой функции у(х). Он является сравнительно грубым и применяется в основном для ориентировочных расчетов. Однако идеи, положенные в основу метода Эйлера, являются исходными для ряда других методов.

Степень точности метода Эйлера, вообще говоря, невелика. Существуют гораздо более точные методы приближенного решения дифференциальных уравнений.

Основные вопросы, рассматриваемые на лекции:

1. Постановка задачи

2. Метод Эйлера

3. Методы Рунге-Кутта

4. Многошаговые методы

5. Решение краевой задачи для линейного дифференциального уравнения 2 порядка

6. Численное решение дифференциальных уравнений в частных производных

1. Постановка задачи

Простейшим обыкновенным дифференциальным уравнением (ОДУ) является уравнение первого порядка, разрешённое относительно производной: y " = f (x, y) (1). Основная задача, связанная с этим уравнением известна как задача Коши: найти решение уравнения (1) в виде функции y (x), удовлетворяющей начальному условию: y (x0) = y0 (2).
ДУ n-ого порядка y (n) = f (x, y, y",:, y(n-1)), для которого задача Коши состоит в нахождении решения y = y(x), удовлетворяющего начальным условиям:
y (x0) = y0 , y" (x0) = y"0 , :, y(n-1)(x0) = y(n-1)0 , где y0 , y"0 , :, y(n-1)0 - заданные числа, можно свести к системе ДУ первого порядка.

· Метод Эйлера

В основе метода Эйлера лежит идея графического построения решения ДУ, однако этот же метод даёт одновременно и численную форму искомой функции. Пусть дано уравнение (1) с начальным условием (2).
Получение таблицы значений искомой функции y (x) по методу Эйлера заключается в циклическом применении формулы: , i = 0, 1, :, n. Для геометрического построения ломаной Эйлера (см. рис.) выберем полюс A(-1,0) и на оси ординат отложим отрезок PL=f(x0 , y0) (точка P - это начало координат). Очевидно, что угловой коэффициент луча AL будет равен f(x0 , y0), поэтому чтобы получить первое звено ломаной Эйлера достаточно из точки М провести прямую MM1 параллельно лучу AL до пересечения с прямой х = х1 в некоторой точке М1(х1, у1). Приняв точку М1(х1, у1) за исходную откладываем на оси Оу отрезок PN = f (x1, y1) и через точку М1 проводим прямую М1М2 | | AN до пересечения в точке М2(х2, у2) с прямой х = х2 и т.д.

Недостатки метода: малая точность, систематическое накопление ошибок.

· Методы Рунге-Кутта

Основная идея метода: вместо использования в рабочих формулах частных производных функции f (x, y) использовать лишь саму эту функцию, но на каждом шаге вычислять её значения в нескольких точках. Для этого будем искать решение уравнения (1) в виде:


Меняя α, β, r, q, будем получать различные варианты методов Рунге-Кутта.
При q=1 получаем формулу Эйлера.
При q=2 и r1=r2=½ получаем, что α, β= 1 и, следовательно, имеем формулу: , которая называется усовершенствованный метод Эйлера-Коши.
При q=2 и r1=0, r2=1 получаем, что α, β = ½ и, следовательно, имеем формулу: - второй усовершенствованный метод Эйлера-Коши.
При q=3 и q=4 также существуют целые семейства формул Рунге-Кутта. На практике они применяются наиболее часто, т.к. не наращивают ошибок.
Рассмотрим схему решения дифференциального уравнения методом Рунге-Кутта 4 порядка точности. Расчёты при использовании этого метода ведутся по формулам:

Их удобно вносить в следующую таблицу:

· Многошаговые методы

Рассмотренные выше методы - это так называемые методы пошагового интегрирования дифференциального уравнения. Они характерны тем, что значение решения на следующем шаге ищется с использованием решения, полученного лишь на одном предыдущем шаге. Это так называемые одношаговые методы.
Основная идея же многошаговых методов заключается в использовании при вычислении значения решения на следующем шаге нескольких предыдущих значений решения. Также эти методы носят название m-шаговых по числу m используемых для расчётов предыдущих значений решения.
В общем случае для определения приближённого решения yi+1 m-шаговые разностные схемы записываются таким образом (m 1):
Рассмотрим конкретные формулы, реализующие простейшие явный и неявный методы Адамса.

Явный метод Адамса 2 порядка (2-шаговый явный метод Адамса)

Имеем a0 = 0, m = 2.
Таким образом, - расчётные формулы явного метода Адамса 2-ого порядка.
При i = 1 имеем неизвестное y1, которое будем находить по методу Рунге-Кутта при q = 2 илиq = 4.
При i = 2, 3, : все необходимые значения известны.

Неявный метод Адамса 1 порядка

Имеем: a0 0, m = 1.
Таким образом, - расчётные формулы неявного метода Адамса 1-ого порядка.
Основная проблема неявных схем заключается в следующем: yi+1 входит и в правую и в левую часть представленного равенства, поэтому имеем уравнение для поиска значения yi+1. Данное уравнение является нелинейным и записано в форме, подходящей для итерационного решения, поэтому будем использовать метод простой итерации для его решения:
Если шаг h выбран удачно, то итерационный процесс быстро сходится.
Данный метод также не является самостартующимся. Так для вычисления y1 надо знать y1(0). Его можно найти по методу Эйлера.