第九章 常微分方程初值问题数值解法-数值分析第九章 常微分方程初值问题的数值解法-数值分析第九章 常微分方程初值问题的数值解法-数值分析第九章 常微分方程初值问题的数值解法-数值分析.ppt
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* 预估校正法 对于隐式线性多步法, 计算时要进行迭代, 计算量大, 通常 采用显式方法先给出yn+k 的初始近似, 记为y p n+k 称为P(Predictor) 预估, 再计算 fn+k 的函数值E(Evaluation) , 继而以隐式公式计 算yn+k 称为C(Corrector)校正及M(Modifier)改进 阿达姆斯四阶预测-校正公式的PECE模式 * 阿达姆斯公式的PMECME模式 由四阶阿达姆斯公式的截断误差,对于PECE有 二式相减, * 由此得事后误差估计: 于是加上两个改进步(M),最后再求一次函数值(E)供下一次预测用,就形成阿达姆斯法的PMECME模式 * 修正米尔尼-汉明预测-校正法(PMECME) 利用米尔尼公式(5.11)进行预测,再用哈明公式(5.15)进行校正,中间利用两公式局部截断误差的主项系数的比例进行改进两次,就得到PMECME模式,此模式称修正米尔尼-汉明预测-校正法 有时侯并不一定要按系数公式(5.4)确定多步法(5.1)的 系数 αi , βi ,可直接用泰勒展开进行构造. 例 解初值问题的显式二步法 试确定系数αi , βi使方法阶数尽量的高,并求局部截断误差 解: * * 为使方法阶数尽量高,令 解得: 此时为三阶公式, 且所求局部误差为: 例 证明存在?的一个值,使线性多步法是四阶的 解: 只需证明局部误差 T n+1= O(h5) 由泰勒展开可得: * * 当 ? = 9 时, T n+1= O(h5). 故方法是四阶的. * 返回 §6 一阶常微分方程组和高阶方程(P373) 一阶常微分方程组可写成向量形式,然后所有适用于一阶常微分方程的方法都可以移植到一阶常微分方程组. 考察一阶方程组 若采用记号 则上述问题可表示为 * 1.用欧拉公式为: 例如以含两个方程的常微分方程组为例: * * 2.用经典的四阶R-K公式为: * 3.用阿达姆斯PEC模式计算为: 例如m阶微分方程 初始条件 引进新变量 则(6.4)可为如下一阶方程组 高阶常微分方程 原则上可以化为一阶方程组来求解 初始条件为 * * 以两阶常微方程为例: 则可令z=y′,化为一阶方程组求解: 完全套用前述的方程组各解法即可解决. 返回 由此可得: 得事后估计式 这样我们就可以通过检查步长折半前后的计算结果偏差 与预先给定的精度来判断选取合适的步长, 这样的处理步长的方法称为变步长方法. * 返回 §4 单步法的 收敛性与稳定性 收敛性与相容性 数值解法的基本思想就是通过某种离散手段将初值问题 转化为差分方程, 则 称为整体局部误差 定义:单步法当任意固定 x = xn ,取 h = (x-x0) / n 时,有 则称该方法是收敛的 * 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 证明: 设 故: * (4.2) . 反复递推可得: 注意到 得估计式 故当y0=y(x0), 则其整体误差为 依据定理1, 判断单步法的收敛性, 可归结为验证增量函数?是否满足利普希茨条件. * 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. 对于改进的欧拉方法,因为其增量函数 所以 由 f(x, y)关于y满足利普希茨条件, 得: 设限定 则?关于y的利普希茨常数为 * 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: 定理1表明当(4.1)至少为一阶时单步法收敛,且当y(x)是初值 问题(1.1)(1.2)的解,(4.1)具有 p 阶精度时,则有展开式: * 所以当p?1的充要条件是 又 由此得如下定义 定义: 若单步法(4.1)的增量函数?满足 则称单步法(4.1)与初值问题(1.1)(1.2)相容 易得: P阶精度方法(4.1)当p?1时,与(1.1)(1.2)相容 反之相容方法至少是1阶的 方法(4.1)收敛的充分必要条件是此方法是相容的 结合定理1可知: * 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
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