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求微分方程的解 问题背景和实验目的 Euler 折线法 初值问题的Euler折线法 Euler 折线法举例 Euler 折线法源程序 Euler折线法举例(续) Runge-Kutta 方法 Runge-Kutta 方法 四阶 R-K 方法源程序 Runge-Kutta 方法 Euler 法与 R-K法误差比较 Matlab 解初值问题 dsolve 求解析解 dsolve 的使用 dsolve 举例 dsolve 举例 dsolve 举例 Matlab函数数值求解 Matlab提供的ODE求解器 参数说明 数值求解举例 数值求解举例 Matlab 求解微分方程小结 上机作业 * * 自牛顿发明微积分以来,微分方程在描述事物运动规律上已发挥了重要的作用。实际应用问题通过数学建模所得到的方程,绝大多数是微分方程。 由于实际应用的需要,人们必须求解微分方程。然而能够求得解析解的微分方程十分有限,绝大多数微分方程需要利用数值方法来近似求解。 本实验主要探讨如何用 Matlab 来计算微分方程(组)的数值解,并重点介绍一个求解微分方程的基本数值解法--Euler折线法。 考虑一维经典初值问题 基本思想:用差商代替微商 根据 Talyor 公式,y(x) 在点 xk 处有 具体步骤: 等距剖分: 步长: 分割求解区间 差商代替微商 得方程组: 分割求解区间,差商代替微商,解代数方程 为分割点 k = 0, 1, 2, ..., n-1 yk 是 y (xk) 的近似 例:用 Euler 法解初值问题 取步长 h = (2 - 0)/n = 2/n,得差分方程 当 h=0.4,即 n=5 时,Matlab 源程序见 fulu1.m 解: clear f=sym(y+2*x/y^2); a=0; b=2; h=0.4; n=(b-a)/h+1; % n=(b-a)/h; x=0; y=1; szj=[x,y]; for i=1:n-1 % i=1:n y=y+h*subs(f,{x,y},{x,y}); x=x+h; szj=[szj;x,y]; end szj plot(szj(:,1),szj(:,2),or-) 解析解: 解析解 近似解 为了减小误差,可采用以下方法: 让步长 h 取得更小一些; 改用具有较高精度的数值方法: 龙格-库塔方法 Runge-Kutta (龙格-库塔) 方法 是一类求解常微分方程的数值方法 有多种不同的迭代格式 用得较多的是 四阶R-K方法(教材第 92 页) 其中 clear; f=sym(y+2*x/y^2); a=0; b=2; h=0.4; n=(b-a)/h+1; % n=(b-a)/h; x=0; y=1; szj=[x,y]; for i=1:n-1 % i=1:n l1=subs(f,{x,y},{x,y}); l2=subs(f,{x,y},{x+h/2,y+l1*h/2}); l3=subs(f,{x,y},{x+h/2,y+l2*h/2}); l4=subs(f,{x,y},{x+h,y+l3*h}); y=y+h*(l1+2*l2+2*l3+l4)/6; x=x+h; szj=[szj;x,y]; end plot(szj(:,1),szj(:,2), dg-) 用 Maltab自带函数 解初值问题 求解析解:dsolve 求数值解: ode45、ode23、 ode113、ode23t、ode15s、 ode23s、ode23tb dsolve 的使用 y=dsolve(eq1,eq2, ... ,cond1,cond2, ... ,v) 其中 y 为输出, eq1、eq2、...为微分方程,cond1、cond2、...为初值条件,v 为自变量。 例 1:求微分方程 的通解,并验证。 y=dsolve(Dy+2*x*y=x*exp(-x^2),x) syms x; diff(y)+2*x*y - x*exp(-x^2) 几点说明 如果省略初值条件,则表示求通解; 如果省略自变量,则默认自变量为 t dsolve(Dy=2*x,x); % dy/dx = 2x dsolve(Dy=2*x); % dy/dt = 2x 若找不到解析解,则返回其积分形式。 微分方程中用 D 表示对 自变量 的导数,如: Dy y; D2y y; D3y y 例 2:求微分方程
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