Расстояния между и
точными значениями
(i = 0, 1, 2,…, n)
вычислим по приближенным формулам
(для метода Эйлера), (13)
(для обеих модификаций метода Эйлера). (14)
Пример.
Пусть численное решение дифференциального уравнения ищется при помощи метода Эйлера с шагом h
= 0,2. Требуется найти
и
,
соответствующие аргументу
= 1,2, и оценить
погрешность
.
При h = 0,2 получим
= 1 + 0,2ּ2 = 1,4.
Теперь
проведем двукратные вычисления с шагом =
0,1. Сначала находим
= 1,1 и
= 1 + 0,1ּ2 = 1,2.
Затем
вычисляем значение :
= 1,2 + 0,1ּ2,65 = 1,465.
С помощью (13) найдем приблизительную оценку погрешности
= 0,065.
Метод Рунге-Кутта является одним из наиболее употребительных методов повышенной точности.
Пусть дано дифференциальное уравнение
(14)
с начальным
условием . Нужно найти решение уравнения (14) на
отрезке [a,
b].
Выбираем малый шаг h и на отрезке [a, b] строим систему равноотстоящих точек
,
(i = 0, 1, 2,…, n).
Наиболее распространенным на практике является метод
Рунге – Кутта четвертого порядка точности. Для перехода от точки к
требуется
вычислить четыре числа:
(15)
Тогда
последовательные значения искомой функции
определяются по формуле
,
где
(i = 0, 1, 2,…, n). (16)
Метод Рунге-Кутта также можно применять для нахождения решения дифференциальных уравнений более высокого порядка и для систем уравнений.
Пусть дана система дифференциальных уравнений
, (17)
, на интервале [a,
b].
Разобьем интервал
на n точек, шаг разбиения .
Итерационные формулы метода Рунге-Кутта для данной системы будут иметь следующий вид:
, (18)
где
(i = 0, 1,
2,…, n).
Соответствующие
числа и
(j = 1, 2, 3, 4) вычисляются следующим образом
(19)
Прежде, чем применять метод Рунге-Кутта для решения дифференциальных уравнений более высоких порядков, необходимо понизить порядок уравнения (до первого порядка). В результате этого уравнение преобразуется в систему уравнений первого порядка и уже непосредственно к системе применяется метод Рунге-Кутта.
Пример.
Методом Рунге-Кутта решить дифференциальное уравнение
,
, на
интервале [0; 0,5].
Формула метода
Рунге-Кутта имеет вид =
,
где
(i = 0, 1,
2,…, n).
Интервал [0;
0,5] разделим на n = 5 точек, шаг разбиения .
В результате
получили таблицу значений , (i
= 0, 1, 2, 3, 4, 5).
Метод Рунге-Кутта позволяет находить решения дифференциальных уравнений, используя переменный шаг.
Рассмотрим использование метода Рунге-Кутта с переменным шагом для рассмотренного выше уравнения.
Значения находим, используя шаг
.
Далее меняем
шаг и положим .
Метод сеток (конечных разностей) решения краевой задачи для обыкновенного дифференциального уравнения
Для решения краевых задач может быть использован метод конечных разностей, заключающийся в замене дифференциальных операторов разностными операторами.
Рассмотрим на отрезке [a, b] граничную задачу для дифференциального уравнения
(20)
с условиями
, (21)
где p(x), q(x), f(x) непрерывны на отрезке [a, b].
Метод сеток для решения граничной задачи состоит в следующем. Область задания дифференциального уравнения (в данном случае – отрезок [a, b]) заменяется некоторой дискретной (сеточной) областью. Для этого разобьем отрезок [a, b] на n равных частей точками
, (i = 0, 1,
2,…, n). (22)
Точки называются узлами сетки.
Совокупность этих точек называется сеткой. В каждом из узлов
сетки заменим производную, входящую в
уравнение (20), конечно-разностными соотношениями. Получим систему
уравнений относительно
. Если в граничные условия входят
производные (как в условиях (21)), то их тоже заменяем соответствующими
конечно-разностными соотношениями.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.