Решение дифференциальных уравнений 1 порядка методом Эйлера

Содержание

Введение 3

1.   Постановка задачи 5

2.   Обзор существующих методов решения задачи 6 2.1.Метод Рунге-Кутта четвертого порядка для решения

уравнения первого порядка 6

2.2.Задача Коши 6

2.3.Метод Булирша- Штера с использованием

рациональной экстраполяции для системы уравнений 7

2.4 Метод Адамса 8

2.5. Метод Эйлера 9

3. Описание алгоритмов решения задания 13

 3.1. Описание переменных 13

3.2. Блок- схема главного модуля 14

3.3. Описание алгоритма главной программы 14

3.4. Блок-схема функции “func” 15

3.5. Описание блок- схемы функции “func” 15

4. Описание программного обеспечения 16

4.1. Описание операционной системы 16

4.2. Описание языка программирования 18

4.3. Описание программы 19

 5. Контрольный пример 21

6.Анализ полученных результатов 22

 Список литературы 24

 Приложение 25

Введение

Уравнение называется обыкновенным дифференциальным n-го порядка, если F определена и непрерывна в некоторой области и, во всяком случае, зависит от . Его решением является любая функция u(x), которая этому уравнению удовлетворяет при всех x в определённом конечном или бесконечном интервале. Дифференциальное уравнение, разрешенное относительно старшей производной имеет вид

Решением этого уравнения на интервале I=[a,b] называется функция u(x)

Решить дифференциальное уравнение у^/=f(x,y) численным методом - это значит для заданной последовательности аргументов х₀, х₁…, х_n и числа у₀, не определяя функцию у=F(x), найти такие значения у₁, у₂,…, у_n, что у_i=F(x_i)(i=1,2,…, n) и F(x₀)=y₀.

Таким образом, численные методы позволяют вместо нахождения функции y=F(x) (3) получить таблицу значений этой функции для заданной последовательности аргументов. Величина h=x_k-x_k-1 называется шагом интегрирования.

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.

Метод Эйлера для обыкновенных дифференциальных уравнений используется для решений многих задач естествознания в качестве математической модели. Например задачи электродинамики системы взаимодействующих тел (в модели материальных точек), задачи химической кинетики, электрических цепей. Ряд важных уравнений в частных производных в случаях, допускающих разделение переменных, приводит к задачам для обыкновенных дифференциальных уравнений – это, как правило, краевые задачи (задачи о собственных колебаниях упругих балок и пластин, определение спектра собственных значений энергии частицы в сферически-симметричных полях и многое другое).  

1.Постановка задачи

1.1. Решить приближенно дифференциальное уравнение вида методом Эйлера

1.2. Составить блок-схему алгоритма для решения данного задания.

1.3. Разработать программу на языке Microsoft Visual C++

1.4. Протестировать программу на примере y’=2x+y (n=5, [0,1], y0=1)

1.5. Выполнить анализ результатов.

1.6. Оформить пояснительную записку с приложением.

2.Обзор методов решения задачи.

2.1. Метод Рунге-Кутта четвертого порядка для решения уравнения первого порядка.

Идея Рунге-Кута состоит в том, чтобы использовать метод неопределённых коэффициентов. Наиболее употребительным методом Рунге-Кутта решения уравнения первого порядка y' = F(x,y) (2.1.1) является метод четвертого порядка, в котором вычисления производятся по формуле:

yk+1 = yk +(k1 +2k2 +2k3 +k4 )/6, (2.1.2)

где

k1 = Fk h = F(xk , yk )h

k2 = F(xk +h/2, yk +k1 /2)h

k3 = F(xk +h/2, yk +k2 /2)h

k4 = F(xk +h, yk +k3 )h,

k = 0, ..., n-1

h = (xf -x0 )/n (2.1.3)

2.2. Задача Коши.

Рассмотрим задачу Коши для уравнений первого порядка на отрезке [a,b]:

, (2.1.4)

Разобьём промежуток [a,b] на N частей . Обозначим , где u(x) –точное решение задачи Коши, и через  значения приближенного решения в точках . Существует 2 типа численных схем :

1.   явные: ) (2.2.1)

2.   неявные: (2.2.2)

Здесь F некоторая функция, связывающая приближения. В явных схемах приближенное значение  в точке  определяется через некоторое число k уже определённых приближенных значений. В неявных схемах  определяется не рекурентным способом, как в явных схемах, а для его определения возникает уравнение, поскольку равенство (2.2.2) представляет из себя именно уравнение на . Явные схемы проще, однако зачастую неявные схемы предпочтительнее.