第七章常微分方程数值解 课件
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第七章常微分方程数值解7.1 引言本章讨论常微分方程初值问题(7.1.1)的数值解法,这也是科学与工程计算经常遇到的问题,由于只有很特殊的方程能用解析方法求解,而用计算机求解常微分方程的初值问题都要采用数值方法.通常我们假定(7.1.1)中f(x,y)对y满足Lipschitz条件,即存在常数L>0,使对,有(7.1.2)则初值问题(7.1.1)的解存在唯一.假定(7.1.1)的精确解为,求它的数值解就是要在区间上的一组离散点上求的近似.通常取,h称为步长,求(7.1.1)的数值解是按节点的顺序逐步推进求得.首先,要对方程做离散逼近,求出数值解的公式,再研究公式的局部截断误差,计算稳定性以及数值解的收敛性与整体误差等问题. 7.2 简单的单步法及基本概念7.2.1 Euler法、后退Euler法与梯形法求初值问题(7.1.1)的一种最简单方法是将节点的导数用差商代替,于是(7.1.1)的方程可近似写成(7.2.1)从出发,由(7.2.1)求得再将代入(7.2.1)右端,得到的近似,一般写成(7.2.2)称为解初值问题的Euler法.Euler法的几何意义如图7-1所示.初值问题(7.1.1)的解曲线y=y(x)过点,从出发,以为斜率作一段直线,与直线交点于,显然有,再从出发,以为斜率作直线推进到上一点,其余类推,这样得到解曲线的一条近似曲线,它就是折线.Euler法也可利用的Taylor展开式得到,由(7.2.3) 略去余项,以,就得到近似计算公式(7.2.2).另外,还可对(7.1.1)的方程两端由到积分得(7.2.4)若右端积分用左矩形公式,用,,则得(7.2.2).如果在(7.2.4)的积分中用右矩形公式,则得(7.2.5)称为后退(隐式)Euler法.若在(7.2.4)的积分中用梯形公式,则得(7.2.6)称为梯形方法.上述三个公式(7.2.2),(7.2.5)及(7.2.6)都是由计算,这种只用前一步即可算出的公式称为单步法,其中(7.2.2)可由逐次求出的值,称为显式方法,而(7.2.5)及(7.2.6)右端含有当f对y非线性时它不能直接求出,此时应把它看作一个方程,求解,这类方法称为稳式方法.此时可将(7.2.5)或(7.2.6)写成不动点形式的方程这里对式(7.2.5)有,对(7.2.6)则,g与无关,可构造迭代法(7.2.7)由于对y满足条件(7.1.2),故有当或,迭代法(7.2.7)收敛到,因此只要步长h足够小,就可保证迭代(7.2.7)收敛.对后退Euler法(7.2.5),当时迭代收敛,对梯形法(7.2.6),当时迭代序列收敛.例7.1用Euler法、隐式Euler法、梯形法解取h=0.1,计算到x=0.5,并与精确解比较.解本题可直接用给出公式计算.由于,Euler法的计算公式为n=0时,.其余n=1,2,3,4的计算结果见表7-1.对隐式Euler法,计算公式为解出当n=0时,.其余n=1,2,3,4的计算结果见表7-1.表7-1 例7.1的三种方法及精确解的计算结果对梯形法,计算公式为解得当n=0时,.其余n=1,2,3,4的计算结果见表7-1.本题的精确解为,表7-1列出三种方法及精确解的计算结果.7.2.2 单步法的局部截断误差解初值问题(7.1.1)的单步法可表示为(7.2.8)其中与有关,称为增量函数,当含有时,是隐式单步法,如(7.2.5)及(7.2.6)均为隐式单步法,而当不含时,则为显式单步法,它表示为(7.2.9)如Euler法(7.2.2),.为讨论方便,我们只对显式单步法(7.2.9)给出局部截断误差概念.定义2.1设y(x)是初值问题(7.1.1)的精确解,记(7.2.10)称为显式单步法(7.2.9)在的局部截断误差.之所以称为局部截断误差,可理解为用公式(7.2.9)计算时,前面各步都没有误差,即,只考虑由计算到这一步的误差,此时由(7.2.10)有局部截断误差(7.2.10)实际上是将精确解代入(7.2.9)产生的公式误差,利用Taylor展开式可得到.例如对Euler法(7.2.2)有,故它表明Euler法(7.2.2)的局部截断误差为,称为局部截断误差主项.定义2.2 设是初值问题(7.1.1)的精确解,若显式单步法(7.2.9)的局部截断误差,是展开式的最大整数,称为单步法(7.2.9)的阶,含的项称为局部截断误差主项.根据定义,Euler法(7.2.2)中的=1故此方法为一阶方法.对隐式单步法(7.2.8)也可类似求其局部截断误差和阶,如对后退Euler法(7.2.5)有局部截断误差故此方法的局部截断误差主项为,也是一阶方法.对梯形法(7.2.6)同样有它的局部误差主项为,方法是二阶的.7.2.3 改进Euler法上述三种简单的单步法中,梯形法(7.2.6)为二阶方法,且局部截断误差最小,但方法是隐式的,计算要用迭代法.为避免迭代,可先用Euler法计算出的近似,将(7.2.6)改为(7.2.11)称为改进Euler法,它实际上是显式方法.即(7.2.12)右端已不含.可以证明,=2,故方法仍为二阶的,与梯形法一样,但用(7.2.11)计算不用迭代.例7.2用改进Euler法求例7.1的初值问题并与Euler法和梯形法比较误差的大小.解将改进Euler法用于例7.1的计算公式当n=0时,.其余结果见表7-2.表7-2 改进Euler法及三种方法的误差比较从表7-2中看到改进Euler法的误差数量级与梯形法大致相同,而比Euler法小得多,它优于Euler法.讲解:求初值问题(7.1.1)的数值解就是在假定初值问题解存在唯一的前提下在给定区间上的一组离散点上求解析解的一组近似为此先要建立求数值解的计算公式,通常称为差分公式,简单的单步法就是由计算下一步,构造差分公式有三种方法,一是用均差(即差商)近似,二是用等价的积分方程(7.2.4)用数值积分方法,三是用函数的Taylor展开,其中Taylor展开最有普遍性,可以得到任何数值解的计算公式及其局部截断误差。