常微分方程模型的数值解法.doc

第七章 常微分方程模型的数值解法 科学和工程技术中常常要求解常微分方程。根据实际背景不同,所遇到的问题可分为两类：一类是常微分方程初值问题；一类是常微分方程边值问题。一般地,要找出这两类问题的解析解往往非常困难,甚至是不能的。本章将介绍它们的数值解法。所谓数值解法,就是在没有办法知道未知函数的解析表达式的情况下,我们近似计算未知函数在其定义域中的某些离散点上的函数值。当然,如果这些离散点在函数的定义域内的发布很密,且相应点的函数值的计算又非常准确,那么就意味着基本上找到了微分方程的解：微分方程的数值解。 7.1 常微分方程模型的举例 函数是事物的内部联系在数量方面的反映,如何寻找变量之间的函数关系,在实际应用中具有重要意义。在许多实际问题中，往往不能直接找出变量之间的函数关系,但是根据问题所提供的情况，有时可以列出含有要找的函数及其导数的关系式。这就是所谓的微分方程，从而得出微分方程模型。 例7.1.1 物体冷却过程的数学模型 将物体放置于空气中，在时刻时，测量的它的温度为,10分钟后测量的温度为。我们要求此物体的温度和时间的关系,并计算20分钟后物体的温度。这里我们假定空气温度保持为。为了解决上述问题，需要了解有关热力学的一些基本规律。例如，热量总是从温度高的物体向温度低的物体传导的；在一定的温度范围内，一个物体的温度变化速度与这个物体的温度和其所在的介质温度的差值成正比。这是已为实验证实了的牛顿（Newton）冷却定律。设物体在时刻的温度为，则温度的速度以来表示。注意到热量总是从温度高的物体向温度低的物体传导，因而。所以温度差恒正；又因物体将随时间而逐渐冷却,故温度变化速度恒负。故有： （7.1.1） 这里是比例常数。方程（7.1.1）就是物体冷却过程的数学模型，它含有未知函数及它的一阶导数,这样的方程称为一阶微分方程。为了解出物体的温度和时间的关系,我们要从方程（7.1.1）中解出。注意到常数,且,可将(7.1.1)改写成： （7.1.2） 这样和就被分离开了。两边积分，得到： （7.1.3） 这里的是任意常数。上式可写成： 令,则有 (7.1.4) 再根据初始条件,可得 于是 (7.1.5) 如果的数值确定了,(7.1.5)就完全决定了温度和时间的关系。 根据条件时，，得到： 由此得到： 从而 （7.1.6） 20分钟后物体的温度就是。 从方程（7.1.6）还可得到，当时，，这可解释为：经过一段时间后物体的温度和空气的温度没有什么差别了。微分方程的“解”可以用图形来表示。这往往给我们一个简明直观的了解。 从例7.1.1中可以大体上看出用微分方程解决实际问题的基本步骤： （1）建立起实际问题的数学模型,也就是建立反映这个实际问题的微分方程； （2）求解这个微分方程； （3）用所得的数学结果解决实际问题,从而预测到某些物理过程的特定性质，以便达到能动改造世界,解决实际问题的目的。 在找到了变量之间所要满足的微分方程后,还需要找出代表所考虑的问题的初始状态的条件,这就是所谓的初始条件。求一个微分方程满足一定的初始条件的解的问题，称为微分方程的初值问题。 微分方程初值问题的适定性对于一个微分方程的初值问题，通常要讨论如下三个问题： （1）解的存在性，即初值问题是否有解； （2）解的唯一性，即处置问题的解是否只有一个； （3）解的稳定性，即处置问题的解关于初值、参数等的连续性、可导性等等。 以上三个问题也叫做微分方程的适定性。当一个微分方程的定解问题的解是存在、唯一且解关于初值、参数等是稳定时，就说这个问题是适定的。否则，就说是不适定的。微分方程的初值问题解的适定性，具有重要的实际意义。微分方程模型通常是用来描述确定性的模型。对一个有实际问题所建立的微分方程模型,如果其初值问题的解不存在,或解不唯一,这样的模型本身就不是合理的,是没有实际意义的。因为在一定的条件下物理现象到最后总会有确定的结果,这反映在模型上,就是定解问题有唯一解。而解的稳定性更是具有重要的实际运用背景。由于在测量初始条件的值和测量方程中各项系数（或参数）等的值时，不可避免地出现测量误差，致使我们得到的微分方程模型，通常只能是近似地描述所讨论的实际问题。自然会问：当测量的数据出现“小”的变动时，相应模型的“解”是否也只有“小”的变动？如果回答是肯定的,我们就说这个模型的解(在某种意义下)是稳定的,否则,就说这个模型是不稳定的。当然，只有“