Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






  • Элементы теории. Пусть дана система двух дифференциальных уравнений первого порядка:






     

    Пусть дана система двух дифференциальных уравнений первого порядка:

    (1)

    Решением системы (1) называется пара функций j1(х) и j2(х), при подстановке которых в систему получаются тождества:

    .

    Решению системы уравнений (1) соответствует интегральная кривая в пространстве трех измерений
    (x, y, z). Условия, при которых через каждую точку P0 (x0 , y0 , z0 ) некоторой области D трехмерного пространства проходит единственная интегральная кривая, содержатся в теореме существования и единственности решения.

    Теорема. Если функции f1 (x, y, z) и f2 (x, y, z) – правые части дифференциальных уравнений системы (1) – непрерывны вместе со своими частными производными по переменным y и z в некоторой области D трехмерного пространства, то для любой точки (x0 , y0 , z0 ) Î D система (1) имеет единственное решение, удовлетворяющее начальным условиям:

    y(x0 ) = y0 , z(x0 ) = z0 . (2)

    Задача Коши состоит в нахождении решения системы (1), удовлетворяющего начальным условиям (2).

    Постановка задачи Коши для системы n дифференциальных уравнений первого порядка аналогична задаче (1)-(2), а именно, требуется найти решение системы:

    (3)

    при начальных условиях

    y1 (x0 ) = y10 , y2 (x0 ) = y20 , …, yn (x0 ) = yn0 . (4)

    Теорема существования и единственности решения задачи Коши (3)-(4) имеет формулировку, аналогичную приведенной для частного случая
    n = 2.

    Введем векторные обозначения:

    Тогда задача Коши в векторной форме имеет вид:

    . (5)

    Численное решение задачи Коши (5) состоит в том, что на отрезке
    [ a, b ] требуется получить приближенные значения координат вектора в узлах сетки xi, i = 1, 2, …, m. Обозначим вектор, аппроксимирующий решение, через , а его координаты – через yki, k = 1, 2, …, n,, i = 1, 2, …, m так, что yki = yk (xi) или

    Будем искать решение на равномерной сетке с шагом h = (b – a) /m.

    Погрешность численного метода оценивается величиной , где di – погрешность решения на сетке с шагом h в точке xi:

    . (6)

    Практически погрешность в точке xi оценивают по формуле Рунге. Пусть: . – значения численного решения в точке xi, полученные для шагов h и h/2 соответственно. Тогда погрешность di в точке xi для вычислений с шагом h/2 выражается приближенным равенством:

    , (7)

    где р – порядок точности численного метода.

    Будем находить решение задачи Коши для системы дифференциальных уравнений с помощью классического метода Рунге-Кутта четвертого порядка. Векторная форма алгоритма метода Рунге-Кутта для задачи (5) имеет вид:

    ,

    ,

    ,

    , (8)

    ,

    ,

    где

    Рассмотрим применение этого алгоритма к решению системы двух обыкновенных дифференциальных уравнений (1) с начальными условиями (2):

    ,

    ,

    ,

    ,

    ,

    ,

    ,

    ,

    .

    Задача Коши для дифференциального уравнения n -го порядка ставится следующим образом: найти решение уравнения

    (9)

    при начальных условиях

    (10)

    Задача Коши (9)-(10) для дифференциального уравнения n -го порядка приводится к задаче Коши для системы n дифференциальных уравнений первого порядка (3)-(4), к которой применяются методы решения систем.

    Обозначим

    и выразим функцию y(x) вместе с ее производными до (n-1) -го порядка включительно через введенные функции

    .

    Вместо задачи (8)-(9) имеем задачу для системы уравнений:

    (11)

    при начальных условиях

    . (12)

    Численным решением задачи Коши (8)-(9) является таблица значений функции y1 в точках xi, i = 1, …, m.

     






    © 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
    Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
    Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.