第九章常微分方程初值问题的数值解法-数值分析.ppt

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第九章 常微分方程初值问题的数值解法; 设方程问题的解 y(x) 的存在, 令a= x0 x1… xn …… 其中 hk =xk+1 - xk , 如是等距节点 xk=a+kh , h 称为步长。 y(x) 的解析表达式不容易得到或根本无法得到,我们用数值方法求得 y(x)在每个节点 xk 上 y(xk) 的近似值,用 yk 表示,即yk≈ y(xk),这样 y0 , y1 ,..., yn 称为微分方程的数值解。;基本知识复习 一阶常微方程的初值问题:;一阶常微分方程组和高阶常微分方程;还有高阶常微分方程定解 问题,如二阶定解问题:;§2 简单的数值方法与基本概念;记g (x)=f (x, y (x))对上述 (*) 积分 用左矩形公式;欧拉公式还可由泰勒展开得到. 假定y (x)二阶连续可导,把 y(xn+1)在 xn 点展开:;推出:;推出:;凡是从已知(或已算出)的 y0,y1,…,yn 能直接从公式算出 yn+1的公式称显式,否则称隐式公式. 在计算 yn+1 时,只需要 yn 的值,则称公式为单步法;若除 yn 之外还需要以前的 yn-1 等多个值,则称多步法公式.; 对以上三个公式. 用公式计算yn+1时产生的局部截断误差:;对欧拉中点公式的局部截断误差:;把 y(xn+1)记为 yn+1,并略去余项 -h3y(ξ)/12得到梯形公式; 它称为梯形公式的预估校正法,用低精度的显式欧拉公式给出下一步 yn+1的初值 y(0)n+1,再用较高精度的隐式方法梯形公式进行迭代,一般迭代一两次就能达到精度要求. 迭代的收敛与否与步长 h 有关系,这里迭代函数是:;或将(2.7)(2.8)相减可得:;例1 用欧拉方法,隐式欧拉方法和欧拉中点公式计算;例2 用欧拉公式和梯形公式的预估校正法计算:;梯形公式只校正一次的格式(改进的欧拉法)为:;*;为此对一般公式:;其中ci , ?i , ? ij 是待定参数, aj和bjl满足;当令y(xn) = yn 时, 此时;Taylor展开式;只要 c2 , ?2 , ? 21, 满足以上方程, 就得到一个二阶的R-K法. 这是一个不定方程, 有无穷多解. 比如:;(2) 取c1=0, c2=1, ?2 = ?21 = 1/2 得:;常用的三阶R-K公式;当r=3时 得 三阶显式 R-K方法;例3 用经典的四阶R-K法计算 ,取步长为0.2, 且与准确值比较.;*;变步长的R-K方法;由此可得:;§4 单步法的 收敛性与稳定性;定理1 假设单步法(4.1)具有p阶精度, 且增量?(x,y,h)关于y 满足利普希茨条件|? (x,y1,h) – ?(x,y2,h) |≤L ?|y1- y2| 又设初值y0是准确的, 即y0=y(x0), 则其整体误差为;反复递推可得:; 对于欧拉方法,因为其增量函数就是 ? 就是 f(x,y) ,所以当 f (x, y)关于 y 满足利普希茨条件,它即为收敛的.;类似不难验证其他R-K方法的收敛性. 如四阶R-K法的增量函数?关于y的利普希茨常数为:;所以当p?1的充要条件是; 前面所讨论的收敛性都是在数值方法本身的计算是准确的假设条件下下进行的,由于计算方法都是递推的.初值y0就可能含有误差,在计算y1,y2,..yn时又会发生舍入误差得y*n,称差值 ?n= y*n – yn 第n步数值解的扰动.;定义: 单步法(4.1)用于试验方程(4.8),如果得到的解 yn+1=E(h?)yn ,满足?E(h?)??1, 则称方法(4.1)是绝对稳定的. 在?=h?的复平面上, 使?E(h?)??1的变量围成的区域, 称为 绝对稳定区域,它与实轴的交称为绝对稳定区间.;绝对稳定区域越大,h可选大些,方法的适应性就越强.;梯形公式的稳定性;四阶R-K方法的绝对稳定区域;所以;;*;把 y(xn+ih) 和 y(xn+ih)作 Taylor展开:;q=2,3, ;当 k= 1 时, 若β1 =0 则由(5.6)得: α0=β0 = 1, 此时即为 欧拉法;阿当姆斯显式与隐式公式;用节点xn+k, xn+k-1,…, xn, 或 xn+k-1,…, xn ??F(x)的k次或k-1插值多项式 ?(x)代替F(x)求积分, 即得线性多步公式.;也可由(5.4)中 C0=C1=…=Cp=0 推出. 对比(5.1)与(5.7)式;若β3 =0(显式), 则由前三个方

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