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数值分析课件第九章数值分析件第九章数值分析课件第九章数值分析课件第九章
第9章 常微分方程初值问题数值解法 9.1 简单的数值方法 二 梯形方法 三 单步法的局部截断误差与阶 四 改进的欧拉公式 9.3 龙格-库塔方法 9.3.2 二阶显式R-K方法 9.3.3 三阶与四阶显式R-K方法 9.3.4 变步长的龙格-库塔方法 要得到三阶显式R-K方法,必须 . 此时(3.4), (3.5)的公式表示为 (3.11) 其中 及 均为待定参数,公式 (3.11)的局部截断误差为 只要将 按二元函数泰勒展开,使 ,可 得待定参数满足方程 (3.12) 这是8个未知数6个方程的方程组,解也不是唯一的. 可以得 到很多公式. 满足条件(3.12)的公式(3.11)统称为三阶R-K公式. 一个常见的公式为 此公式称为库塔三阶方法. 继续上述过程,经过较复杂的数学演算,可以导出各 种四阶龙格-库塔公式,下列经典公式是其中常用的一个: 四阶龙格-库塔方法的每一步需要计算四次函数值 ,可以证明其局部截断误差为 例3 设取步长 ,从 直到 用四阶龙格 -库塔方法求解初值问题 解 这里,经典的四阶龙格-库塔公式(3.13)具有 形式 本章着重考察一阶方程的初值问题 (1.1) (1.2) 只要函数 适当光滑——譬如关于 满足利普 希茨(Lipschitz)条件 (1.3) 理论上就可以保证初值问题(1.1),(1.2)的解 存在并且唯一. 所谓数值解法,就是寻求解 在一系列离散节点 上的近似值 . 相邻两个节点的间距 称为步长. 如不特别说明,总是假定 为定数, 这时节点为 . 首先,要对方程(1.1)离散化,建立求数值解的递 推公式. 一类是计算 时只用到前一点的值 ,称为单步 法. 另一类是用到 前面 点的值 , 称为 步法. 其次,要研究公式的局部截断误差和阶,数值解 与 精确解 的误差估计及收敛性,还有递推公式的计算 稳定性等问题. 一 欧拉法与后退的欧拉法 (1.1) (1.2) 如果对方程(1.1)从 到 积分,得 (1.4) 右端积分用左矩形公式 近似,再以 代替 代替 得到欧拉公式 (1.5) 图8-1 若初值 已知,则依公式(1.5)可逐步算出 欧拉法又称折线法,几何意义如下图 解 欧拉公式的具体形式为 取步长 ,计算结果见表9-1. 例1 求解初值问题 精确解: 如果在(1.4)中右端积分用右矩形公式 近似,则得另一个公式 (1.6) 称为后退的欧拉法. 后退的欧拉公式与欧拉公式有着本质的区别,后者是 关于 的一个直接的计算公式,这类公式称作是显式的; (1.4) 然而公式(1.6)的右端含有未知的 ,它实际上是关于 的一个函数方程,这类公式称作是隐式的. 隐式方程(1.6)通常用迭代法求解. 先用欧拉公式 给出迭代初值 ,用它代入(1.6)式的右端,使之转化 为显式,直接计算得 然后再用 代入(1.5)式,又有 如此反复进行,得 (1.7) 由于 对 满足利普希茨条件(1.3). 由(1.7)减 (1.6)得 由此可知,只要 迭代法(1.7)就收敛到解 . 为得到比欧拉法精度高的计算公式,在等式(1.4)右 端积分中若用梯形求积公式近似,并用 代替 代替 ,则得 (1.8) 称为梯形方法. 梯形方法是隐式单步法,可用迭代法求解. 同后退的欧拉方法一样,仍用欧拉方法提供迭代初值, 则梯形法的迭代公式为 (1.4) (1.9) 为了分析迭代过程的收敛性,将(1.8)式与(1.9)式 相减,得 于是有 式中 为 关于 的利普希茨常数. 如果选取 充分小,使得 则当 时有 ,这说明迭代过程(1.
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