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Euler法和改进的Euler法实验报告
用Euler法和改进的Euler法求u’=-5u(0≤t≤1),u(0)=1的数值解,步长h=0.1,0.05,并比较两个算法的精度。解:当步长h=0.1时编写程序如下所示clfclearclc%直接求解微分方程y=dsolve(Dy=-5*y,y(0)=1,t)%Euler法h=0.1;t=0:h:1;n=length(t);u=zeros(1,n);u(1)=1;zbu(1,1)=t(1);zbu(2,1)=u(1);fori=2:n f=-5*u(i-1);u(i)=u(i-1)+h*f;zbu(1,i)=t(i);zbu(2,i)=u(i);endzbu%改进的Euler法v=zeros(1,n);v0=zeros(1,n);v(1)=1;zbv(1,1)=t(1);zbv(2,1)=v(1);fori=2:n f=-5*v(i-1);v0(i)=v(i-1)+h*f;v(i)=v(i-1)+h/2*(f-5*v0(i));zbv(1,i)=t(i);zbv(2,i)=v(i);endzbvplot(t,u,r*,markersize,10)holdon,plot(t,v,r.,markersize,20)holdon,ezplot(y,[0,1])holdon,title(Euler法和改进的Euler法比较(h=0.1)),gridonlegend(Euler法,?改进的Euler法,解析解)%解真值h=0.1;t=0:h:1;n=length(t);fori=1:n y(i)=1/exp(5*t(i));%通过第一部分程序直接解得的解析解zby(1,i)=t(i);zby(2,i)=y(i);endzby我们可以得到计算后的结果图像如图一所示图1 Euler法和改进的Euler法比较(h=0.1)同时,我们得到Euler法,改进的Euler法和解析解的在各点处数值分别如下所示:t坐标0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0欧拉1.00000.50000.25000.12500.06250.03130.01560.00780.00390.00200.0010改进欧拉1.0000 0.6250 0.3906 0.2441 0.1526 0.0954 0.0596 0.0373 0.0233 0.0146 0.0091真值1.00000.60650.36790.22310.13530.08210.04980.03020.01830.01110.0067表1 Euler法和改进的Euler法在各点数值比较(h=0.1)为了比较Euler法和改进的Euler法的算法精度,在这里我们利用相对误差的概念进行评判。对于Euler法和改进的Euler法的每个的估计值有:从而我们可以通过计算得到如下的相对误差表:t坐标0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0欧拉0 0.1756 0.3204 0.4398 0.5382 0.6193 0.6862 0.7413 0.7867 0.8242 0.8551改进欧拉0 0.0305 0.0618 0.0942 0.1275 0.1618 0.1972 0.2336 0.2712 0.3099 0.3498表2 Euler法和改进的Euler法在各点相对误差比较(h=0.1)为了评定算法精度,我们对每种算法的在所有点处的相对误差求平均,可以得到Euler法的平均相对误差为0.5443,改进的Euler法的平均相对误差为0.1670。由此我们可以得出改进的欧拉法的算法进度更高。当步长h=0.05时程序编写如下clfclearclc%直接求解微分方程y=dsolve(Dy=-5*y,y(0)=1,t)%Euler法h=0.01;t=0:h:1;n=length(t);u=zeros(1,n);u(1)=1;zbu(1,1)=t(1);zbu(2,1)=u(1);fori=2:n f=-5*u(i-1);u(i)=u(i-1)+h*f;zbu(1,i)=t(i);zbu(2,i)=u(i);endzbu%改进的Euler法v=zeros(1,n);v0=zeros(1,n);v(1)=1;zbv(1,1)=t(1);zbv(2,1)=v(1);fori=2:n f=-5*v(i-1);v0(i)=v(i-1)+h*f;v(i)=v(i-1)+h/2*(f-5*v0(i));zbv(1,i)=t(i);zbv(2,i)=v(i);endzbv
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