Skip to content

Latest commit

 

History

History
105 lines (90 loc) · 3.83 KB

info2_lab04.md

File metadata and controls

105 lines (90 loc) · 3.83 KB
Raw
number course material author
4
Informatyka 2
Instrukcja 4
P. Szałtys, rev. W. Gryglas

Całkowanie numeryczne równań różniczkowych zwyczajnych

Pliki do wykorzystania w poniższym ćwiczeniu można pobrać za pomocą poniższych linków:

1. Wstęp

Celem dzisiejszych zajęć jest zapoznanie się z podstawowymi metodami całkowania numerycznego równań różniczkowych zwyczajnych pierwszego rzędu. Część procesów fizycznych, które obserwujemy w otaczającym nas świecie może być modelowana za pomocą właśnie równań różniczkowych. Większości z nich nie da się rozwiązać w sposób analityczny (tj. podać rozwiązania w postaci jawnej). W szczególności, największe problemy sprawiają równania zawierające człony nieliniowe. Świat, w którym żyjemy, jest silnie nieliniowy i większość problemów, które przyjdzie nam rozwiązywać, nie będzie posiadać rozwiązania w formie analitycznej.

Jako pierwszą poznamy metodę pierwszego rzędu zwaną (od nazwiska twórcy) jawną metodą Eulera. Jest ona jednocześnie najprostszą i bardzo niestabilną metodą. Drugą metodą, którą zastosujemy na dzisiejszych zajęciach, będzie metoda Rungego-Kutty 4-go rzędu. Jest to metoda jawna, która charakteryzuje się stosunkowo wysokim rzędem, łatwością implementacji oraz relatywnie wysoką stabilnością.

Obie metody wykorzystamy do rozwiązania zagadnienia początkowego w postaci: $$ \left{ \begin{array}{l} \frac{dy}{dt} = f(t,y) \ y(t_0) = y_0 \ \end{array} \right. $$

2. Metoda Eulera

W celu rozwiązania zastosujmy następujący schemat iteracyjny: $$ t_{i+1} = t_{i} + h $$ $$ y_{i+1} = y_i + h \cdot f(t_i , y_i ) $$ Gdzie:

  • $h$ -- krok całkowania,
  • $y_{i+1}$ -- rozwiązanie,
  • $y_i$ -- rozwiązanie w kroku poprzednim,
  • $f$ - funkcja obliczająca prawą stronę równania różniczkowego.

3. Metoda Rungego-Kutty 4-ego rzędu

Schemat iteracyjny ma postać: $$ y_{i+1} = y_i + \frac{h}{6} \left( K_1 + 2K_2 + 2K_3 + K_4 \right) $$ gdzie: $$ K_1 = f\left( x_i, y_i \right) $$ $$ K_2 = f\left( x_i + \frac{1}{2}h, y_i + \frac{1}{2}hK_1\right) $$ $$ K_3 = f\left( x_i + \frac{1}{2}h, y_i + \frac{1}{2}hK_2\right) $$ $$ K_4 = f\left( x_i + h, y_i +hK_3 \right) $$ Metoda ta jest już zaimplementowana w pliku $\verb+rk4.cpp+$. Nagłówek funkcji, która wykonuje jeden krok całkowania równania różniczkowego ma postać:

double rk4(double x0, double y0, double h, double (*fun)(double, double))

gdzie:

  • x0 -- wartość początkowa zmiennej niezależnej,
  • y0 -- wartość początkowa zmiennej zależnej,
  • h -- krok całkowania,
  • fun -- adres funkcji obliczającej prawe strony równania.

4. Ćwiczenia

Dane jest zagadnienie początkowe w postaci: $$ \left{ \begin{array}{l} \frac{dy}{dt} = \lambda \cdot y(t) \ y(t_0) = y_0 \ \end{array} \right. $$ Jego rozwiązanie dokładne to: $$ y(t) = y_0 \cdot \mathrm{e}^{\lambda(t-t_0)} $$

  1. Napisz program, który rozwiąże dane zagadnienie początkowe z wykorzystaniem schematu Eulera.
  2. Wykorzystaj schemat RK4 zaimplementowany w pliku $\verb+rk4.cpp+$ i ponownie rozwiąż zagadnienie.
  3. Dla obu przypadków wyświetl na monitorze kolejne wartości $t_i$, $y_i$ oraz względne wartości błędów: $\varepsilon_i = \frac{|y_i - y_i^\mathrm{analityczne}|}{|y_i^\mathrm{analityczne}|}$.
  4. Zmodyfikuj program tak aby wykonywał obliczenia jedną i druga metodą dla zadanego $t_k$ i liczby kroków: $N = 2^0,; 2^1,; \ldots,; 2^6$.
    Wydrukuj do pliku: liczbę kroków $N$, długość kroku $h$, błąd metody Eulera i błąd metody RK4 dla ostatniego kroku czasowego.
  5. Sporządź wykresy błędów obu metod w funkcji kroku $h$ i oszacuj ich rzędy zbieżności.