Материал: Тема-05 ОДУ (нужна)

На практике для обеспечения требуемой точности (при использовании любого приближенного метода решения ОДУ) применяется автоматический выбор шага методом двойного просчета. При этом в каждой точке х_i по формуле, соответствующей выбранному методу, производится расчет y_iс шагом h (y_i^(h))и с шагом h/2(y_i^(h/2)). Цель двойного просчета состоит в том, чтобы для каждой точки численного решения эти значения отличались на величину, не превышающую заданной погрешности .В этом случае общая формула для оценки погрешности решения ОДУ методами Рунге-Кутты имеет следующий вид:

где p – порядок метода Рунге-Кутты. Эта формула называется также правилом Рунге.

Если | y_i^(h))- y_i^(h/2)|<, то шаг для следующей точки выбирается равным h, иначе шаг уменьшается вдвое и продолжается уточнение y_i в точке х_i.

Схемы алгоритмов интегрирования ОДУ методом Рунге-Кутты с автоматическим выбором шага приведены на рис. 5.3-2 и рис. 5.3-3.

Рис. 5.3-2. Схема алгоритма процедуры-функции решения ОДУ в очередной точке

Рис. 5.3-3. Схема алгоритма интегрирования ОДУ методом Рунге-Кутты с

автоматическим выбором шага

5.4. Решение оду n-го порядка

Методы, рассмотренные выше, позволяют найти численное решение ОДУ только первого порядка. Однако они применимы и к уравнениям n-го порядка. Для этого ОДУn-го порядка предварительно приводится к системе n уравнений первого порядка.

Пусть, например, требуется решить ОДУ второго порядка

,

с начальными условиями , , .

Обозначим z=y’. В результате подстановки в исходное уравнение получим систему двух уравнений первого порядка

,

с двумя неизвестными функциями и и начальными условиями

, .

В общем виде система уравнений может быть представлена в виде

(5.4-1)

Решением системы(5.4-1) являются две функции и , из которых - решение исходного уравнения второго порядка. Выбрав, например, метод Эйлера, приближенное решение системы (5.4-1) можно найти с помощью двух рекуррентных формул:

Пример 5.4-1. Дано обыкновенное дифференциальное уравнение второго порядка при начальных условиях , , на отрезке [0;0.4] с шагом .

Обозначим , тогда ОДУ второго порядка можно записать в виде системы ОДУ первого порядка

с начальными условиями , , .

Применим метод Эйлера для решения системы ОДУ

и т.д.

В общем виде ОДУ n-го порядка

.

Введем следующие обозначения:

…

В результате этих подстановок перейдем к системе n ОДУ первого порядка:

(5.4-2)

Решением системы (5.4-2) являются функции

При заданных начальных условиях , и использовании метода Эйлера решение может быть получено с помощью рекуррентных формул

Окончательным решением ОДУ n-го порядка, согласно определению, служит функция , вычисленная на заданном множестве точек [a;b].

5.5. Сравнение методов решения оду

Метод Эйлера является простейшим одношаговым методом. Однако его низкая точность (погрешность убывает пропорционально величине шага) служит серьезным препятствием для его использования на практике. Увеличение точности за счет уменьшения шага, к сожалению, приводит к росту количества итераций и соответственно увеличению ее составляющей погрешности – погрешности вычисления. Метод имеет первый порядок точности, соответствующий используемому в нем методу левых прямоугольников.

Метод «прогноза и коррекции» позволяет уточнить расчетную формулу за счет «прогноза» значения в следующей точке, полученного на первом этапе по формуле Эйлера, и «коррекции» - усреднения углового коэффициента – на втором этапе. Этот метод имеет второй порядок точности, поскольку для вычисления интеграла при вычислении приращения использована формула трапеций. По сравнению с методом Эйлера, метод «прогноза и коррекции» требует меньшее количество итераций для обеспечения заданной точности

Наиболее популярными среди классических одношаговых методов решения ОДУ являются методы Рунге-Кутты четвертого порядка. При этом метод Эйлера и метод «прогноза и коррекции» можно рассматривать как простейших представителей методов Рунге-Кутты. Методы Рунге-Кутты четвертого порядка эффективны и, если отрезок интегрирования не очень велик, обеспечивают сравнительно высокую точность.

Обеспечение требуемой точности решения ОДУ достигается применением в расчетах метода автоматического выбора шага, в котором для оценки локальной погрешности (погрешности на каждом шаге решения) используется правило Рунге.

5.6. Технология решения обыкновенных дифференциальных уравнений средствами математических пакетов

5.6.1. Технология решения дифференциальных уравнений средствами MathCad

При решении ОДУ его следует привести к нормальной форме (к виду разрешенному относительно производной исходного ОДУ)

Для ОДУ с разделяющимися переменными исходное уравнение можно привести к виду , тогда выражение задает решение задачи Коши с начальными условиями как функцию y от переменной х.

Пример 5.6-1.Решить ОДУ вида .

Найдем частное решение данного ОДУ с использованием средств Mathcad, сначала методом разделения переменных, а затем с использованием функции odesolve(x, xk, n), где х – имя переменной, относительно которой решается уравнение, xk – конец интервала интегрирования, n – количество шагов, на которых вычисляется решение ОДУ. Результаты подтверждают правильность преобразований.