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计算方法之常微分方程数值解精要
* (二)改进欧拉公式 1、预估: 2、校正: 或者中点欧拉公式: * (三)四阶龙格-库塔法 * (四)线性多步法(略) * 解:由微分方程组可得 f(u , v)=-4u+3v+6, g(u , v)=-2.4u+1.6v+3.6 取h=0.1, [0.0 , 0.5]被x0=0.0 , x1=0.1 , x2=0.2 , x3=0.3 , x4=0.4 , x5=0.5分成5等分。 例 用改进欧拉法求解常微分方程组初值问题: * 预估: 校正: ………… * 下面以三阶常微分方程为例说明高阶常微分方程的数值计算步骤 二、高阶常微分方程的数值解法 将三阶常微分方程化为一阶方程组: 令: * 得到一阶方程组: * 例 用改进欧拉法求2阶常微分方程初值问题: 令: 则 * 《数值计算方法》复习提纲 1、有效数字位数与绝对误差限和相对误差限。 2、如何改进数值不稳定算法(如两个相近的数做减法运算、多项式计算、某些递推计算)? 3、四则运算中的误差传播计算。 4、二分法的使用条件及具体计算。 5、简单迭代法收敛与否的判断。 6、牛顿迭代法的使用条件与简单计算;牛顿迭代法法解非线性方程组的构造方法。 * 7、高斯顺序消元法与列主元消元法的比较计算 8、LU分解法的简单计算 9、拉格朗日与牛顿插值的简单计算与截断误差估计(等距离插值节点的误差估计法、事后误差估计法) 10、用最小二乘法做简单的曲线拟合(线性化处理) 11、复化梯形积分、复化辛普森积分的计算、给定精度时估计区间等分数、代数精度、以及复化辛普森积分与复化梯形积分之间的关系,龙贝格积分的构造方法。 12、向量和矩阵的范数计算、矩阵谱半径的概念与计算、Jacobi 迭代法和 Gauss-Seidel 迭代法的迭代格式的构造以及收敛判断。 13、规范化幂法、反幂法的操作方法。 14、实对称矩阵的Jacobi法的基本操作。 15、改进欧拉法、龙格-库塔法、线性多步法简单计算。 * 另一方面:将 y(x) 在点 xn 处作泰勒展开式: 代入点xn+1可得: 由于 故有: * 所以可得: ———— 式(二) 比较 式(一)与式(二) * —— 式(一) —— 式(二) 只需取: 即可保证(式6-1)的截断误差为O(h3)。 该方程组应有无穷多组解,且显然有 a=b; —— 龙格-库塔法。 * 常用系数: ① —— 改进欧拉法(预估-校正公式) ② * 4、二阶龙格-库塔法的几何意义 K1 K2 y=y(x) xn xn+1 yn yn+K1 yn+1 x y o * (二)三阶、四阶龙格-库塔法 采用类似二阶龙格-库塔法的构造方法,即可得三阶龙格-库塔法(截断误差为O(h4))和四阶龙格-库塔法(截断误差为O(h5))。 标准(经典)四阶龙格-库塔法: * 解:由微分方程可得 f(x , y)=x-y+1 取h=0.1, [0.0 , 0.5]被x0=0.0 , x1=0.1 , x2=0.2 , x3=0.3 , x4=0.4 , x5=0.5分成5等分。 (1)求y1: K1=f(x0,y0)=0.0-1.0+1.0=0.0; K2=f(x0+0.5h,y0+0.5hK1)=0.05-1.0+1.0=0.05; 例 用四阶龙格-库塔法求解初值问题: * K3=f(x0+0.5h,y0+0.5hK2) =0.05-1.0-0.05*0.05+1.0=0.0475 K4=f(x0+h,y0+hK3) =0.1-1.0-0.1*0.0475+1.0=0.09525 y1=y0+h(K1+2K2+2K3+K4)/6 =1.0+0.1(0.0+0.1+0.095+0..09525)/6=1.0048375 精确值y(0.1)=1.004837 而欧拉法:y1=1.0 改进欧拉法:y1=1.005 ………… * 编程题:分别用改进欧拉法和标准四阶龙格-库塔法对如下初值问题作验证性计算 i xi 真值y(xi) 1 0.1 0.1003347 2 0.2 0.2027100 3 0.3 0.3093362 4 0.4 0.4227932 5 0.5 0.5463025 6 0.6 0.6841368 7 0.7 0.8422884 i xi 真值y(xi) 8 0.8 1.0296386 9 0.9 1.2601582 10 1.0 1.5574077 11 1.1 1.9647597 12 1.2 2.5721516 13 1.3 3.6021024 14 1.4 5.7978837 * 一、单步法及其优缺点: 欧拉法: ★ 线 性 多 步 法 ★ R-K法(龙格-库塔法,
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