Метод эйлера уравнений 2 порядка
Численное решение линейного однородного дифференциального уравнения 2 порядка методами Эйлера и Рунге-Кутта.
Рассматривается линейное однородное дифференциальное уравнение второго порядка вида
Для того, чтобы применить к нему численные методы Эйлера и Рунге-Кутта, следует свести это уравнение к системе 2-х дифференциальных уравнений 1-го порядка
Упростим : b=b/a, c=c/a.
Вводя новую функцию x(t), получаем :
К полученной системе применяем формулу Эйлера :
Затем применяется метод Рунге-Кутта. Расчет ведется по формулам :
В случае нашей системы формулы выглядят следующим образом :
Ниже приведен пример решения уравнения 3 y”+2y’+y=0 на отрезке t=[0..1] с шагом 0,01 в среде Maple ( текст программы)
Задаются коэффициенты дифференциального уравнения
Задание начальных условий
Задание правой границы отрезка
Уменьшение шага повысит точность вычислений
Расчет числа шагов
Вывод дифференциального уравнения
ur := a * diff ( y ( t ), t $2)+ b * diff ( y ( t ), t )+ c * y ( t )=0;
Вывод начальных условий
usl := y ( t 0)= y 0; usl 2:= D ( y )( t 0)= yy 0;
Перерасчет коэффициентов к виду y «+ by ‘+ cy =0
b := b / a : c := c / a :
Применяется метод Эйлера
print (`Метод Эйлера с шагом h `= h );
for i from 1 to n do
В цикле ведется расчет по формулам Эйлера
Если в следующей строке изменить «:» на «;» будут выводится результаты расчета на каждом шаге
Применяется метод Рунге-Кутта 3 порядка
print (`Метод Рунге-Кутта 3 порядка с шагом h `= h );
Дифференциальное уравнение Эйлера и методы его решения
Более общее уравнение Эйлера имеет вид:
.
Это уравнение подстановкой t = ax+b приводится к более простому виду, которое мы и будем рассматривать.
Приведение дифференциального уравнения Эйлера к уравнению с постоянными коэффициентами.
Рассмотрим уравнение Эйлера:
(1) .
Оно сводится к линейному уравнению с постоянными коэффициентами подстановкой:
x = e t .
Действительно, тогда
;
;
;
;
;
.
Таким образом, множители, содержащие x m , сокращаются. Остаются члены с постоянными коэффициентами. Однако на практике, для решения уравнений Эйлера, можно применять методы решения линейных ДУ с постоянными коэффициентами без использования указанной выше подстановки.
Решение однородного уравнения Эйлера
Рассмотрим однородное уравнение Эйлера:
(2) .
Ищем решение уравнения (2) в виде
.
;
;
.
.
Подставляем в (2) и сокращаем на x k . Получаем характеристическое уравнение:
.
Решаем его и получаем n корней, которые могут быть комплексными.
Рассмотрим действительные корни. Пусть ki – кратный корень кратности m . Этим m корням соответствуют m линейно независимых решений:
.
Рассмотрим комплексные корни. Они появляются парами вместе с комплексно сопряженными. Пусть ki – кратный корень кратности m . Выразим комплексный корень ki через действительную и мнимую части:
.
Этим m корням и m комплексно сопряженным корням соответствуют 2 m линейно независимых решений:
;
;
.
.
После того как получены n линейно независимых решений, получаем общее решение уравнения (2):
(3) .
Примеры
Решение неоднородного уравнения Эйлера
Рассмотрим неоднородное уравнение Эйлера:
.
Метод вариации постоянных (метод Лагранжа) также применим и к уравнениям Эйлера.
Сначала мы решаем однородное уравнение (2) и получаем его общее решение (3). Затем считаем постоянные функциями от переменной x . Дифференцируем (3) n – 1 раз. Получаем выражения для n – 1 производных y по x . При каждом дифференцировании члены, содержащие производные приравниваем к нулю. Так получаем n – 1 уравнений, связывающих производные . Далее находим n -ю производную y . Подставляем полученные производные в (1) и получаем n -е уравнение, связывающее производные . Из этих уравнений определяем . После чего интегрируя, получаем общее решение уравнения (1).
Пример
Неоднородное уравнение Эйлера со специальной неоднородной частью
Рассмотрим уравнение Эйлера со специальной неоднородной частью:
(4)
,
где – многочлены от степеней и , соответственно.
Наиболее простой способ решения такого уравнения заключается в том, чтобы сделать подстановку
,
и решать линейное уравнение с постоянными коэффициентами со специальной неоднородной частью.
Автор: Олег Одинцов . Опубликовано: 14-08-2013 Изменено: 24-10-2020
7.2. Модифицированный метод Эйлера (метод Рунге-Кутта 2-го порядка)
Для повышения точности формула Эйлера применяется дважды на каждом элементарном отрезке: сначала для вычисления значения функции в середине отрезка , затем это значение используется для вычисления тангенса угла наклона касательной к графику искомой функции в середине отрезка.
Рис. 7.4. Геометрическая иллюстрация модифицированного метода Эйлера.
— значение функции в середине отрезка [x0,x1].
— значение функции в конце отрезка [x0,x1].
Формула модифицированного метода Эйлера:
(7.6)
Где i = 0, 1, …., n-1 — номер узла;
Xi = a + i×h — координата узла;
У0 = у(х0) — начальное условие.
Алгоритм решения ОДУ отличается от описанного ранее алгоритма метода Эйлера (рис 7.3) только алгоритмом расчета новой точки (Рис. 7.5).
Погрешность метода d » О(h3).
Пример 7.2. Решение ранее рассмотренного уравнения (пример 7.1) модифицированным методом Эйлера.
Y’ — 2×y + x2 = 1, x Î [0;1], y(0) = 1.
Пусть n = 10 , h = (1 — 0)/10 = 0,1.
Начальная точка x0 = 0, y0 = 1.
Расчёт первой точки.
Аналогично расчёт следующих точек: 2, 3, . ,10.
Рис. 7.5. Алгоритм расчёта новой точки модифицированным методом Эйлера:
http://1cov-edu.ru/differentsialnye-uravneniya/lineinie_postoyannie_koeffitsienti/eilera/
http://matica.org.ua/metodichki-i-knigi-po-matematike/vychislitelnaia-matematika/7-2-modifitcirovannyi-metod-eilera-metod-runge-kutta-2-go-poriadka