Численное решение дифференциальных уравнений программа

Численное решение математических моделей объектов заданных системами дифференциальных уравнений

Введение:

При математическом моделировании ряда технических устройств используются системы дифференциальных нелинейных уравнений. Такие модели используются не только в технике, они находят применение в экономике, химии, биологии, медицине, управлении.

Исследование функционирования таких устройств требуют решения указанных систем уравнений. Поскольку основная часть таких уравнений являются нелинейными и нестационарными, часто невозможно получить их аналитическое решение.

Возникает необходимость использовать численные методы, наиболее известным из которых является метод Рунге — Кутты [1]. Что касается Python, то в публикациях по численным методам, например [2,3], данных по применение Рунге — Кутты крайне мало, а по его модификации — методу Рунге-Кутта-Фельберга вообще нет.

В настоящее время, благодаря простому интерфейсу, наибольшее распространение в Python имеет функцию odeint из модуля scipy.integrate. Вторая функция ode из этого модуля реализует несколько методов, в том числе и упомянутый пятиранговый метод Рунге-Кутта-Фельберга, но, вследствие универсальности, имеет ограниченное быстродействие.

Целью настоящей публикации является сравнительный анализ перечисленных средств численного решения систем дифференциальных уравнений с модифицированным автором под Python методом Рунге-Кутта-Фельберга. В публикации так же приведены решения по краевым задачам для систем дифференциальных уравнений (СДУ).

Краткие теоретические и фактические данные по рассматриваемым методам и программным средствам для численного решения СДУ

Для одного дифференциального уравнения n – го порядка, задача Коши состоит в нахождении функции, удовлетворяющей равенству:

и начальным условиям

Перед решением эта задача должна быть переписана в виде следующей СДУ

(1)

с начальными условиями

Модуль имеет две функции ode() и odeint(), предназначенные для решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ) первого порядка с начальными условиями в одной точке (задача Коши). Функция ode() более универсальная, а функция odeint() (ODE integrator) имеет более простой интерфейс и хорошо решает большинство задач.

Функция odeint() имеет три обязательных аргумента и много опций. Она имеет следующий формат odeint(func, y0, t[,args=(), . ]) Аргумент func – это имя Python функции двух переменных, первой из которых является список y=[y1,y2. yn], а второй – имя независимой переменной.

Функция func должна возвращать список из n значений функций при заданном значении независимого аргумента t. Фактически функция func(y,t) реализует вычисление правых частей системы (1).

Второй аргумент y0 функции odeint() является массивом (или списком) начальных значений при t=t0.

Третий аргумент является массивом моментов времени, в которые вы хотите получить решение задачи. При этом первый элемент этого массива рассматривается как t0.

Функция odeint() возвращает массив размера len(t) x len(y0). Функция odeint() имеет много опций, управляющих ее работой. Опции rtol (относительная погрешность) и atol (абсолютная погрешность) определяют погрешность вычислений ei для каждого значения yi по формуле

Они могут быть векторами или скалярами. По умолчанию

Вторая функция модуля scipy.integrate, которая предназначена для решения дифференциальных уравнений и систем, называется ode(). Она создает объект ОДУ (тип scipy.integrate._ode.ode). Имея ссылку на такой объект, для решения дифференциальных уравнений следует использовать его методы. Аналогично функции odeint(), функция ode(func) предполагает приведение задачи к системе дифференциальных уравнений вида (1) и использовании ее функции правых частей.

Отличие только в том, что функция правых частей func(t,y) первым аргументом принимает независимую переменную, а вторым – список значений искомых функций. Например, следующая последовательность инструкций создает объект ODE, представляющий задачу Коши.

При построении численных алгоритмов будем считать, что решение этой дифференциальной задачи существует, оно единственно и обладает необходимыми свойствами гладкости.

При численном решении задачи Коши

(2)

(3)

по известному решению в точке t =0 необходимо найти из уравнения (3) решение при других t. При численном решении задачи (2),(3) будем использовать равномерную, для простоты, сетку по переменной t с шагом т > 0.

Приближенное решение задачи (2), (3) в точке обозначим . Метод сходится в точке если при . Метод имеет р-й порядок точности, если , р > 0 при . Простейшая разностная схема для приближенного решения задачи (2),(3) есть

(4)

При имеем явный метод и в этом случае разностная схема аппроксимирует уравнение (2) с первым порядком. Симметричная схема в (4) имеет второй порядок аппроксимации. Эта схема относится к классу неявных — для определения приближенного решения на новом слое необходимо решать нелинейную задачу.

Явные схемы второго и более высокого порядка аппроксимации удобно строить, ориентируясь на метод предиктор-корректор. На этапе предиктора (предсказания) используется явная схема

(5)

а на этапе корректора (уточнения) — схема

В одношаговых методах Рунге—Кутта идеи предиктора-корректора реализуются наиболее полно. Этот метод записывается в общем виде:

(6),

Формула (6) основана на s вычислениях функции f и называется s-стадийной. Если при имеем явный метод Рунге—Кутта. Если при j>1 и то определяется неявно из уравнения:

(7)

О таком методе Рунге—Кутта говорят как о диагонально-неявном. Параметры определяют вариант метода Рунге—Кутта. Используется следующее представление метода (таблица Бутчера)

Одним из наиболее распространенных является явный метод Рунге—Кутта четвертого порядка

(8)

Метод Рунге—Кутта— Фельберга

Привожу значение расчётных коэффициентов метода

(9)

С учётом(9) общее решение имеет вид:

(10)

Это решение обеспечивает пятый порядок точности, остаётся его адаптировать к Python.

Вычислительный эксперимент по определению абсолютной погрешности численного решения нелинейного дифференциального уравнения с использованием обеих функций def odein(),def oden() модуля scipy.integrate и адаптированного к Python методов Рунге—Кутта и Рунге—Кутта— Фельберга

Адаптированные к Python методы Рунге—Кутта и Рунге—Кутта— Фельберга имеют меньшую абсолютную, чем решение с применением функции odeint, но большую, чем с использованием функции edu. Необходимо провести исследование быстродействия.

Численный эксперимент по сравнению быстродействия численного решения СДУ при использовании функции ode с атрибутом dopri5 (метод Рунге – Кутты 5 порядка) и с использованием адаптированного к Python метода Рунге—Кутта— Фельберга

Сравнительный анализ проведём на примере модельной задачи, приведенной в [2]. Чтобы не повторять источник, приведу постановку и решение модельной задачи из [2].

Решим задачу Коши, описывающую движение тела, брошенного с начальной скоростью v0 под углом α к горизонту в предположении, что сопротивление воздуха пропорционально квадрату скорости. В векторной форме уравнение движения имеет вид

где – радиус вектор движущегося тела, – вектор скорости тела, – коэффициент сопротивления, вектор силы веса тела массы m, g – ускорение свободного падения.

Особенность этой задачи состоит в том, что движение заканчивается в заранее неизвестный момент времени, когда тело падает на землю. Если обозначить , то в координатной форме мы имеем систему уравнений:

К системе следует добавить начальные условия: (h начальная высота), . Положим . Тогда соответствующая система ОДУ 1 – го порядка примет вид:

Для модельной задачи положим . Опуская довольно обширное описание программы, приведу только листинг из комментариев к которому, думаю, будет ясен принцип её работы. В программу добавлен отсчёт времени работы для сравнительного анализа.

Flight time = 1.2316 Distance = 5.9829 Height =1.8542
Flight time = 1.1016 Distance = 4.3830 Height =1.5088
Flight time = 1.0197 Distance = 3.5265 Height =1.2912
Flight time = 0.9068 Distance = 2.5842 Height =1.0240
Время на модельную задачу: 0.454787

Для реализации средствами Python численного решения СДУ без использования специальных модулей, мною была предложена и исследована следующая функция:

def increment(f, t, y, tau
k1=tau*f(t,y)
k2=tau*f(t+(1/4)*tau,y+(1/4)*k1)
k3 =tau *f(t+(3/8)*tau,y+(3/32)*k1+(9/32)*k2)
k4=tau*f(t+(12/13)*tau,y+(1932/2197)*k1-(7200/2197)*k2+(7296/2197)*k3)
k5=tau*f(t+tau,y+(439/216)*k1-8*k2+(3680/513)*k3 -(845/4104)*k4)
k6=tau*f(t+(1/2)*tau,y-(8/27)*k1+2*k2-(3544/2565)*k3 +(1859/4104)*k4-(11/40)*k5)
return (16/135)*k1+(6656/12825)*k3+(28561/56430)*k4-(9/50)*k5+(2/55)*k6

Функция increment(f, t, y, tau) обеспечивает пятый порядок численного метода решения. Остальные особенности программы можно посмотреть в следующем листинге:

Время на модельную задачу: 0.259927

Предложенная программная реализация модельной задачи без использования специальных модулей имеет почти в двое большее быстродействие, чем с функцией ode, однако нельзя забывать, что ode имеет более высокую точность численного решения и возможности выбора метода решения.

Решение краевой задачи с поточно разделёнными краевыми условиями

Приведем пример некоторой конкретной краевой задачи с поточно разделенными краевыми условиями:

(11)

Для решения задачи (11) используем следующий алгоритм:

1. Решаем первые три неоднородные уравнения системы (11) с начальными условиями

Введем обозначение для решения задачи Коши:

2. Решаем первые три однородные уравнения системы (11) с начальными условиями

Введем обозначение для решения задачи Коши:

3. Решаем первые три однородные уравнения системы (11) с начальными условиями

Введем обозначение для решения задачи Коши:

4. Общее решение краевой задачи (11) при помощи решений задач Коши записывается в виде линейной комбинации решений:

где p2, p3 — некоторые неизвестные параметры.

5. Для определения параметров p2, p3, используем краевые условия последних двух уравнений (11), то есть условия при x = b. Подставляя, получим систему линейных уравнений относительно неизвестных p2, p3:
(12)
Решая (12), получим соотношения для p2, p3.

По приведенному алгоритму с применением метода Рунге—Кутта—Фельберга получим следующую программу:

y0[0]= 0.0
y1[0]= 1.0
y2[0]= 0.7156448588231397
y3[0]= 1.324566562303714
y0[N-1]= 0.9900000000000007
y1[N-1]= 0.1747719838716767
y2[N-1]= 0.8
y3[N-1]= 0.5000000000000001
Время на модельную задачу: 0.070878

Вывод

Разработанная мною программа отличается от приведенной в [3] меньшей погрешностью, что подтверждает приведенный в начале статьи сравнительный анализ функции odeint с реализованным на Python метода Рунге—Кутта—Фельберга.

3. Н.М. Полякова, Е.В. Ширяева Python 3. Создание графического интерфейса пользователя (на примере решения методом пристрелки краевой задачи для линейных обыкновенных дифференциальных уравнений). Ростов-на-Дону 2017.

Калькулятор Обыкновенных Дифференциальных Уравнений (ОДУ) и Систем (СОДУ)

Порядок производной указывается штрихами — y»’ или числом после одного штриха — y’5

Ввод распознает различные синонимы функций, как asin , arsin , arcsin

Знак умножения и скобки расставляются дополнительно — запись 2sinx сходна 2*sin(x)

Список математических функций и констант :

• ln(x) — натуральный логарифм

• sh(x) — гиперболический синус

• ch(x) — гиперболический косинус

• th(x) — гиперболический тангенс

• cth(x) — гиперболический котангенс

• sch(x) — гиперболический секанс

• csch(x) — гиперболический косеканс

• arsh(x) — обратный гиперболический синус

• arch(x) — обратный гиперболический косинус

• arth(x) — обратный гиперболический тангенс

• arcth(x) — обратный гиперболический котангенс

• arsch(x) — обратный гиперболический секанс

• arcsch(x) — обратный гиперболический косеканс

Как написать программу решения дифференциального уравнения… ( C++ )

Для численного решения обыкновенных дифференциальных уравнений различают задачи с начальными условиями (ЗНУ) и граничными условиями (ЗГУ).

Дело в том, что для полного определения искомой функции одного уравнения недостаточно. При определении первообразной из производной функции мы получим множество решений, отличающихся друг от друга свободным членом (константой С).

Поэтому, для однозначного определения данной константы С, у искомой функции должны задаваться еще граничные условия, указывающие, что делается на концах исследуемого интервала, и/или начальные условия, описывающие значение функции
в начальный момент (t = 0). Совокупность граничных и начальных условий называется краевыми условиями.

Для численного решения обыкновенных дифференциальных уравнений применяют метод Рунге-Кутта, с наиболее часто используемым 4-ым порядком точности. Давайте рассмотрим программную реализацию данного метода Рунге-Кутта, и Вы увидите, что написать программу для решения дифференциального уравнения не составляет особого труда.

Вариант решения задачи рассмотрю на следующем примере:

Условия задачи:
Пусть выстрел из орудия произведен с начальной скоростью V₀, под углом к горизонту α, с высоты Н₀ расположения орудия, т.к. в реальности огонь может вестись с холма или из капонира (т.е. ниже уровня земли).
Считаем, что снаряд имеет форму шара с радиусом r, изготовлен из материала, имеющего определенную плотность ρ.
Построить траекторию полета снаряда Y(x) ,
указать максимальную высоту полета H_k , дальность падения снаряда X_k и время полета t_k , построить график скорости V(t) на отрезке [0,t_k].

Таким образом, исходные данные, которые пользователь может задать на форме:
Начальная скорость V₀, м/с2
Начальная высота H₀, м
Угол выстрела α, ° (град)
Плотность материала ρ, кг/м3
Радиус r, м

При построении математической модели условимся, что ось Оx системы координат направлена горизонтально в направлении выстрела, а ось Oy — вертикально вверх. Вектор скорости снаряда V(t) за время полета будет изменяться как по величине, так и по направлению, поэтому в модели рассматриваем его проекции на координатные оси. Горизонтальную составляющую скорости в момент времени t обозначим V_x(t), а вертикальную – V_y(t).

Пусть поверхность Земли плоская. Согласно законам механики, при сделанных предположениях движения тела в горизонтальном направлении является равномерным, а в вертикальном – равнозамедленным или равноускоренным с ускорением свободного падения g.

Если с силой тяжести F_T все достаточно просто (она свой вектор не меняет ни по величине, ни по направлению), то сила лобового сопротивления F_C , действующая на снаряд, пропорциональна квадрату скорости движения тела. Обозначим через F_X и F_Y горизонтальную и вертикальную проекции вектора силы лобового сопротивления,
причем F_X/F= V_X/V, F_Y/F= V_Y/V.

Значение силы лобового сопротивления F= -b·V² (пропорционально квадрату скорости тела). Коэффициент b=0.5·C·S·ρ, где C – коэффициент лобового сопротивления (для многих задач баллистики C≈0.15), S – площадь поперечного сечения (S=πr²), ρ — плотность воздуха (ρ=1,29 кг/м3).

Решение поставленной задачи можно свести к решению системы дифференциальных уравнений

Метод Рунге-Кутта предполагает многократное вычисление значения производной искомой функции по имеющейся формуле (из уравнения), поэтому имеет смысл …

Код функций будет выглядеть так:

// функция Нахождение горизонтальной проекции скорости
//по первому уравнению системы
double Form1::fvx( double vy, double vx )
<
return -b*vx*sqrt(vx*vx+vy*vy) / m;
>

// функция Нахождение вертикальной проекции скорости
//по второму уравнению системы
double Form1::fvy( double vy, double vx )
<
return -b*vy*sqrt(vx*vx+vy*vy) / m — g;
>

Шаг интегрирования у меня задается на форме.
Сейчас нам предстоит вычислить значения нескольких функций (V_x, V_y, V ) в точках интервала с шагом. В моем примере у интервала задано начало х=0, а конечная точка интервала будет определена в процессе вычисления ( высота полета ядра стала Void Form1::Runge_Kutta(void)
<
double k1,k2,k3,k4, l1,l2,l3,l4;

pY[0]=H; pX[0]=0; pt[0]=0; //массивы-координаты: высота, дальность и время
pVx[0]=Vx; pVy[0]=Vy; pV[0]=V; //массивы- скорости: проекции на
//горизонталь и вертикаль и полная скорость (величина вектора)
bool vzbool=true;//взлет
int i=1;

//расчет по модели и заполнение массивов
while( (pY[i-1]>-0.00001 || vzbool) && i pY[i-1]) iMax=i; //сохранение номера узла с максимальной высотой
else vzbool=false;//падение

i++;
>
n=i-1; //количество реальных шагов
>

где:
int iMax; //узел с макс.высотой полета

double b; //коэф.пропорциональности Силы лобового сопротивления
double m; //масса ядра
double H; //уровень расположения орудия в момент выстрела
double V,Vx,Vy; //начальная скорость и ее проекции на оси

В результате работы этой подпрограммы произойдет численное решение задачи Коши для системы обыкновенных дифференциальных уравнений и будут получены значения функций V_x(t_i), V_y(t_i) в точках t_i=i·h, i=1,2. ; h – шаг метода.

Как видим, после получения нового значения скорости V_x(t_i)
рассчитывается координата X(t_i)=X(t_i-1)+h·V_x(t_i), где h= t_i-t_i-1 = const.
Кроме того, параллельно рассчитывается значение высоты Y(t_i)=Y(t_i-1)+h·V_y(t_i),
где h= t_i-t_i-1 = const по найденным значениям V_y(t_i).
Когда будет получено значение Y(t_i)