Уравнений высших порядков




 

Методы Эйлера и Рунге - Кутта могут быть применены для решения системы дифференциальных уравнений первого порядка. Пусть задана система двух уравнений вида

(14)

с начальными условиями:

.

Используя зависимости (10), (12), (13), запишем последовательность формул Рунге-Кутта для вычисления решений и в произвольной точке интегрирования уравнений (14):

 

; ; . (15)

 

При необходимости численного интегрирования дифференциального уравнения n - го порядка его предварительно способом подстановки приводят к системе из n дифференциальных уравнений первого порядка. Например, рассмотрим задачу Коши для уравнения второго порядка

(16)

с начальными условиями

. (17)

Обозначим первую производную через вторую неизвестную функцию . Подставляя принятое обозначение в (16) и (17), приходим к задаче Коши для системы из двух дифференциальных уравнений первого порядка:

(18)

с начальными условиями

(19)

где .

Легко заметить, что уравнения (18) полностью аналогичны уравнениям (14). Их отличает только то, что в качестве выражения в правой части первого уравнения системы (14) выступает неизвестная функция z. Однако, это не вызывает каких-либо затруднений при применении формул (15) вычисления значений неизвестных функций y (x) и z (x) системы (18).

Если система уравнений (18) решается методом Эйлера, то значения неизвестных функций y (x) и z (x) в точках xi интервала интегрирования вычисляются по формулам:

, ,

в которых

.

 

Замечания.

1. Особенностью одношаговых методов является то, что для получения решения дифференциального уравнения в каждом новом узле xi +1 достаточно иметь значение y (xi) неизвестной функции лишь в одном предыдущем узле. Это свойство называют "самостартованием". Свойство "самостартования" позволяет изменять величину шага интегрирования h в процессе вычисления решения в любом узле и тем самым допускает построение алгоритмов численного интегрирования дифференциальных уравнений с автоматическим выбором шага.

2. В основе одношаговых методов лежит разложение искомого решения в ряд Тейлора с сохранением членов, содержащих h в степени до k включительно. Целое число k называется порядком метода. В частности, рассмотренные методы Эйлера и Рунге-Кутта являются методами первого и четвертого порядков соответственно.

Серьезным недостатком одношаговых методов является отсутствие простых способов оценки погрешности найденных решений. Как показано выше, эта погрешность пропорциональна hk (k - порядок метода). Грубую оценку погрешности решения можно найти с помощью двойного просчета по формуле

где - значение точного решения дифференциального уравнения в точке ; , - приближенные значения при шаге интегрирования h /2 и h соответственно.

3. Поскольку погрешность решения пропорциональна шагу интегрирования hk то для получения решения с точностью ε рекомендуется шаг выбирать, исходя из условия hk < ε.

При этом шаг h можно изменять при переходе от одной точки к другой. Для оценки правильности выбора шага при интегрировании методом Рунге - Кутта используют равенство

Если q больше нескольких сотых, то шаг интегрирования необходимо уменьшить.

 

Контрольные вопросы и упражнения для приобретения



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2019-01-11 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: