Краткая теория. Описание численного метода.

Постановка задачи. Исходные данные.

Методом Эйлера решить дифференциальное уравнение на отрезке . Начальное значение , шаг . Построить решение графически.

Краткая теория. Описание численного метода.

Решить дифференциальное уравнение у^/=f(x,y) численным методом - это значит для заданной последовательности аргументов х₀, х₁…, х_n и числа у₀, не определяя функцию у=F(x), найти такие значения у₁, у₂,…, у_n, что у_i=F(x_i)(i=1,2,…, n) и F(x₀)=y₀. (2.5.1)

Таким образом, численные методы позволяют вместо нахождения функции

У=F(x) получить таблицу значений этой функции для заданной последовательности аргументов. Величина h=x_k-x_k-1 называется шагом интегрирования.

Метод Эйлера относиться к численным методам, дающим решение в виде таблицы приближенных значений искомой функции у(х). Он является сравнительно грубым и применяется в основном для ориентировочных расчетов. Однако идеи, положенные в основу метода Эйлера, являются исходными для ряда других методов.

Рассмотрим дифференциальное уравнение первого порядка (2.5.1)

с начальным условием

x=x₀, y(x₀)=y₀ (2.5.2)

Требуется найти решение уравнения (2.5.1) на отрезке [а,b].

Разобьем отрезок [a, b] на n равных частей и получим последовательность х₀, х₁, х₂,…, х_n, где x_i=x₀+ih (i=0,1,…, n), а h=(b-a)/n-шаг интегрирования.

В методе Эйлера приближенные значения у(х_i)»y_i вычисляются последовательно по формулам у_i+hf(x_i, y_i) (i=0,1,2…).

При этом искомая интегральная кривая у=у(х), проходящая через точку М₀(х₀, у₀), заменяется ломаной М₀М₁М₂… с вершинами М_i(x_i,y_i) (i=0,1,2,…); каждое звено М_iM_i+1 этой ломаной, называемой ломаной Эйлера, имеет направление, совпадающее с направлением той интегральной кривой уравнения (2.5.1), которая проходит через точку М_i. Если правая часть уравнения (2.5.1) в некотором прямоугольнике R{|x-x₀|£a, |y-y₀|£b}удовлетворяет условиям:
|f(x, y₁)- f(x, y₂)| £ N|y₁-y₂| (N=const), (2.5.3)

|df/dx|=|df/dx+f(df/dy)| £ M (M=const),

то имеет место следующая оценка погрешности:

|y(x_n)-y_n| £ hM/2N[(1+hN)ⁿ-1], (2.5.4)

где у(х_n)-значение точного решения уравнения (2.5.1) при х=х_n, а у_n- приближенное значение, полученное на n-ом шаге.

Формула (13) имеет в основном теоретическое применение. На практике иногда оказывается более удобным двойной просчет: сначала расчет ведется с шагом h, затем шаг дробят и повторный расчет ведется с шагом h/2. Погрешность более точного значения у_n^*оценивается формулой

|y_n-y(x_n)|»|y_n^*-y_n|. (2.5.5)

Метод Эйлера легко распространяется на системы дифференциальных уравнений и на дифференциальные уравнения высших порядков. Последние должны быть предварительно приведены к системе дифференциальных уравнений первого порядка.

Модифицированный метод Эйлера

Рассмотрим дифференциальное уравнение (2.5.1) y^/=f(x,y) с начальным условием y(x₀)=y₀. Разобьем наш участок интегрирования наn равных частей. На малом участ интегральную кривую заменим прямой линией.

Рис.1 Метод Эйлера в графическом видa

Получаем точку М_к(х_к,у_к). Через М_к проводим касательную: у=у_к=f(x_k,y_k)(x-x_k). Делим отрезок (х_к,х_к1) пополам:

x_Nk^/=x_k+h/2=x_{k+1/2 (2.5.6)}

y_Nk^/=y_k+f(x_k,y_k)h/2=y_k+y_k+1/2

Получаем точку N_k^/. В этой точке строим следующую касательную:

y(x_k+1/2)=f(x_k+1/2, y_k+1/2)=α_{k (2.5.7)}

Из точки М_к проводим прямую с угловым коэффициентом α_к и определяем точку пересечения этой прямой с прямой Х_к1. Получаем точку М_к^/. В качестве у_к+1 принимаем ординату точки М_к^/. Тогда:

у_к+1=у_к+α_кh

x_k+1=x_k+h

(2.5.8) α_k=f(x_k+h/2, y_k+f(x_k,Y_k)h/2)

y_k=y_k-1+f(x_k-1,y_k-1)h

(2.5.8)-рекурентные формулы метода Эйлера.

Сначала вычисляют вспомогательные значения искомой функции у_к+1/2 в точках х_к+1/2, затем находят значение правой части уравнения (11) в средней точке y^/_k+1/2=f(x_k+1/2, y_k+1/2) и определяют у_к+1.

Для оценки погрешности в точке х_к проводят вычисления у_к с шагом h, затем с шагом 2h и берут 1/3 разницы этих значений:

| у_к^*-у(х_к)|=1/3(y_k^*-y_k), (2.5.9)

где у(х)-точное решение дифференциального уравнения.

Таким образом, методом Эйлера можно решать уравнения любых порядков. Например, чтобы решить уравнение второго порядкаy^//=f(y^/,y,x) c начальными условиями y^/(x₀)=y^/₀, y(x₀)=y₀, выполняется замена:

y^/=z (2.5.10)

z^/=f(x,y,z)

Тем самым преобразуются начальные условия: y(x₀)=y₀, z(x₀)=z₀, z₀=y^/₀. (2.5.12)

3.Описание алгоритмов решения задачи