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龙格库塔法原理及程序实现.pdf

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龙格库塔法

一、基本原理:

“龙格-库塔(Runge-Kutta)方法”是一种在工程上应用广泛的

“高精度单步算法”。由于此算法精度高,采取措施对误差进行抑制,

所以其实现原理也较复杂。该算法是构建在数学支持的基础之上的。

一阶:对于“一阶精度的欧拉公式”有:

yyh*K1

i1i

K1f(x,y)

ii

二阶:当用“点x处的斜率近似值K1”与“右端点x处的斜率

ii1

K2”的算术平均值作为“平均斜率K*的近似值”,那么就会得到“

阶精度的改进欧拉公式”:

K1K2

yyh*{}

i1i2

1(,)

Kfxy

ii

K2f(xh,yh*K1)

ii

依次类推:如果在区间[x,x]内多预估几个点上的斜率值K1、

ii1

K2、……Km,并用他们的加权平均数作为平均斜率K*的近似值,显

然能构造出具有很高精度的“高阶计算公式”。经数学推导、求解,

可以得出四阶龙格-库塔公式,也就是在工程中应用广泛的经典龙

格-库塔算法,即:

yi+1=yi+h*(K1+2*K2+2*K3+K4)/6

K1=f(xi,yi)

K2=f(xi+h/2,yi+h*K1/2)

K3=f(xi+h/2,yi+h*K2/2)

K4=f(xi+h,yi+h*K3)

通常所说的龙格-库塔法就是指四阶——龙格库塔法,我们可以

仿二阶、三阶的情形推导出常用的标准四阶龙格-库塔法公式。

(1)

计算公式(1)的局部截断误差是。

龙格-库塔法具有精度高,收敛,稳定(在一定条件下),计算

过程中可以改变步长,不需要计算高阶导数等优点,但仍需计算

在一些点上的值,如四阶龙格-库塔法每计算一步需要计算四次

的值,这给实际计算带来一定的复杂性,因此,多用来计算“表头”。

二、小程序

#includestdio.h

#includemath.h

#definef(x,y)(-1*(x)*(y)*(y))

voidmain(void)

{

doublea,b,x0,y0,k1,k2,k3,k4,h;

intn,i;

printf(inputa,b,x0,y0,n:);

scanf(%lf%lf%lf%lf%d,a,b,x0,y0,n);

printf(x0\ty0\tk1\tk2\tk3\tk4\n);

for(h=(b-a)/n,i=0;i!=n;i++)

{

k1=f(x0,y0);

k2=f(x0+h/2,y0+k1*h/2);

k3=f(x0+h/2,y0+k2*h/2);

k4=f(x0+h,y0+h*k3);

printf(%lf\t%lf\t,x0,y0);

printf(%lf\t%lf\t,k1,k2);

printf(%lf\t%lf\n,k3,k4);

y0+=h*(k1+2*k2+2*k3+k4)/6;

x0+=h;

}

printf(xn=%lf\tyn=%lf\n,x0,y0);

}

运行结果

inputa,b,x0,y0,n:050220

x0y0k1k2k3

k4

0.0000002.000000-0.000000

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