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微分方程模型求解及稳定性分析
开课学院、实验室: 数统学院 实验时间 : 2011 年 4 月 20 日
课程
名称 数学实验 实验项目
名 称 实验项目类型 验证 演示 综合 设计 其他 指导
教师 李东 成 绩
实验4 微分方程模型、求解及稳定性分析
一、实验目的及意义
[1] 归纳和学习求解常微分方程(组)的基本原理和方法;
[2] 掌握解析、数值解法,并学会用图形观察解的形态和进行解的定性分析;
[3] 熟悉MATLAB软件关于微分方程求解的各种命令;
[4] 通过范例学习建立微分方程方面的数学模型以及求解全过程;
通过该实验的学习,使学生掌握微分方程(组)求解方法(解析法、欧拉法、梯度法、改进欧拉法等),对常微分方程的数值解法有一个初步了解,同时学会使用MATLAB软件求解微分方程的基本命令,学会建立微分方程方面的数学模型。这对于学生深入理解微分、积分的数学概念,掌握数学的分析思维方法,熟悉处理大量的工程计算问题的方法是十分必要的。
二、实验内容
微分方程及方程组的解析求解法;
微分方程及方程组的数值求解法——欧拉、欧拉改进算法;
直接使用MATLAB命令对微分方程(组)进行求解(包括解析解、数值解);
利用图形对解的特征作定性分析;
建立微分方程方面的数学模型,并了解建立数学模型的全过程。
三、实验步骤
1.开启软件平台——MATLAB,开启MATLAB编辑窗口;
2.根据微分方程求解步骤编写M文件
3.保存文件并运行;
4.观察运行结果(数值或图形);
5.根据观察到的结果和体会写出实验报告。
四、实验要求与任务
根据实验内容和步骤,完成以下实验,要求写出实验报告(实验目的→问题→数学模型→算法与编程→计算结果→分析、检验和结论)
基础实验
1.求微分方程的解析解, 并画出它们的图形,
y’= y + 2x, y(0) = 1, 0x1;
y’’+ycos(x) = 0, y(0)=1, y’(0)=0;
y1=dsolve(Dy=y+2*x,y(0)=1,x)
y1 =
-2*x-2+3*exp(x)
y=dsolve(D2y+y*cos(x)=0,y(0)=1,Dy(0)=0)
y =
cos(cos(x)^(1/2)*t)
2.用向前欧拉公式和改进的欧拉公式求方程y’= y - 2x/y, y(0) = 1 (0≤x≤1,h = 0.1) 的数值解,要求编写程序,并比较两种方法的计算结果,说明了什么问题?
x=0;y=1;A=[];B=[];C=[];
y1=dsolve(Dy=y-2*x/y,y(0)=1)
for t=1:10
y1=y;
x1=x+0.1;
y=y+0.1*(y-2*x/y);
z=y1+1/2*0.1*((y1-2*x/y1)+(y-2*x1/y));
s=(2*x+1)^(1/2);
A=[A y];
B=[B z];
C=[C s];
x=x+0.1;
end
A
B
C
A =
1.1000 1.1918 1.2774 1.3582 1.4351 1.5090 1.5803 1.6498 1.7178 1.7848
B =
1.0959 1.1887 1.2750 1.3563 1.4336 1.5077 1.5794 1.6491 1.7173 1.7845
C =
1.0954 1.1832 1.2649 1.3416 1.4142 1.4832 1.5492 1.6125 1.6733
根据A、B、C的结果比较可知,改进欧拉公式比向前欧拉公式求解的值更接近准确值
3.Rossler微分方程组:
当固定参数b=2, c=4时,试讨论随参数a由小到大变化(如a∈(0,0.65))而方程解的变化情况,并且画出空间曲线图形,观察空间曲线是否形成混沌状?
Function函数
function f=fex3_3(x,y)
f=[-y(2)-y(3);y(1)+0.3*y(2);2+y(3)*(y(1)-4)];
M文件
[x,y]=ode23(fex3_3,[-100,100],[1,2,3]);
r=y(:,1);
s=y(:,2);
t=y(:,3);
plot3(r,s,t);
a =0.3时的图形
a =0.5时的图形
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