matlab用欧拉法求常微分方程初值

实验报告
一、实验目的
解初值问题各种方法比较。

二、实验题目
给定初值问题
⎪⎩⎪⎨⎧=≤<+=,
0)1(,21y x xe x y dx dy x ， 其精确解为)(e e x y x -=，按
（1）改进欧拉法，步长01.0,1.0==h h ；
（2）四阶标准龙格-库塔法，步长1.0=h ；
求在节点)10,...,2,1(1.01=+=k k x k 处的数值解及其误差，比较各个方法的优缺点。

三、实验原理
改进欧拉法程序，四阶标准龙格-库塔法程序。

四、实验内容及结果
五、实验结果分析
实验2中改进欧拉法和四阶标准龙格-库塔法的比较：
结果的第一个ans是x的值与对应的y的值，第二个ans是精确解x的对应值y，第三个ans 是与精确值的误差百分数。

通过误差百分数的比较，可以明显的发现改进欧拉法比四阶标准龙格-库塔法更精确。

欧拉法(euler)求解常微分方程的matlab程序及案例欧拉方法是最初用于求解常微分方程的数值方法之一，它是一种显式的一步法，具有易于实施的优点，特别适合初学者使用。

本文将介绍欧拉法的原理和使用MATLAB求解常微分方程的具体方法，同时给出一个简单的实例进行说明。

一、欧拉法原理考虑一个一阶常微分方程y'=f(t,y)，欧拉法的基本思想是将时间步长Δt均分成n个小步长，从y(t0)开始依次计算每个时刻的值，得到一列估计值y1, y2, …, yn。

欧拉法的计算公式为：（1）y1=y(t0+Δt)=y(t0)+Δtf(t0, y0)（2）y2=y(t0+2Δt)=y(t0+Δt)+Δtf(t0+Δt, y1)（3）yn=y(t0+nΔt)=y(t0+(n-1)Δt)+Δtf(t0+(n-1)Δt, yn-1)可以看出，欧拉法的核心在于利用已知的t和y计算f(t,y)，从而获得y的逼近值。

但是需要注意的是，步长Δt越小，计算所需的时间和内存就越多，而精度却并不一定提高。

因此在实际应用中需要结合具体问题选择合适的步长。

二、MATLAB求解常微分方程的具体方法（1）定义常微分方程我们以一个简单的例子开始，考虑求解y'=1-y，y(0)=0.5在[0,1]区间内的积分。

首先定义匿名函数dydt，将其传到ode45中求解：dydt=@(t,y)1-y;[t,y]=ode45(dydt,[0 1],0.5);plot(t,y,'-o')运行以上代码可以得到结果，其中plot函数用于绘制图像。

但是，由于求解过程中计算机执行到ode45函数时可能需要很长时间，因此需要更快捷的方法。

（2）利用欧拉法求解方程欧拉法求解方程首先需要定义步长Δt，这里设Δt为0.1。

定义起始值y=[0.5]、时间向量t=0:Δt:1，然后计算列向量y的估计值：t=0:0.1:1;y=zeros(size(t));y(1)=0.5;for n=1:length(t)-1y(n+1)=y(n)+0.1*(1-y(n));endplot(t,y,'-o')以上代码的执行结果与前面的ode45方法相同，但是速度更快。

欧拉法(matlab)一阶常微分方程一、概述微分方程是描述自然界中许多现象的数学模型，它在物理、化学、生物等领域有着广泛的应用。

而欧拉法是求解微分方程的一种数值计算方法，通过利用微分方程的切线近似曲线上的点，来逼近微分方程的解。

在matlab中，欧拉法是求解微分方程的常用方法之一。

本文将介绍欧拉法在matlab中求解一阶常微分方程的具体步骤和实现过程。

二、欧拉法的原理欧拉法是一种基本的数值方法，用于求解形如y' = f(x, y)的一阶常微分方程初值问题。

其基本思想是将微分方程转化为差分方程，通过逐步逼近微分方程的解。

具体步骤如下：1. 确定初值条件，即确定微分方程的初始值(x0, y0)2. 根据微分方程y' = f(x, y)计算斜率f(x, y) = dy/dx3. 根据斜率计算下一个点的坐标，即y1 = y0 + h*f(x0, y0)，其中h 为步长4. 更新坐标，即(x0, y0) = (x0+h, y1)5. 重复上述步骤直至达到所需的精度或特定的终止条件通过以上步骤，可以得到微分方程的近似解。

在matlab中，可以利用欧拉法求解一阶常微分方程，具体步骤如下。

三、欧拉法在matlab中的实现1. 编写求解函数我们需要编写一个求解一阶常微分方程的函数。

这个函数的输入参数包括微分方程的函数表达式、初始值、步长和终止条件等。

函数的基本框架如下：```matlabfunction [x, y] = euler_method(f, x0, y0, h, x_end)x = x0:h:x_end; 生成x的序列y = zeros(size(x)); 初始化y的序列y(1) = y0; 设置初始值for i = 2:length(x)y(i) = y(i-1) + h*f(x(i-1), y(i-1)); 根据欧拉法更新y值endend```在上述函数中，f表示微分方程的函数表达式，x0和y0表示初始值，h表示步长，x_end表示终止条件。

matlab欧拉法解常微分方程matlab欧拉法解常微分方程欧拉法是解决微分方程数值计算的一种基本方法，是通过估算函数图像的变化来得到函数的近似值。

而matlab是一种强大的数值计算软件，也能轻易地实现欧拉法解常微分方程的计算。

步骤一：选择解题模型选择合适的数学模型很重要。

对于已经给定的微分方程，需要将它化为标准的形式。

例如，我们有如下的微分方程：y’ = 2y - 3，y(0) = 1将其化为标准的形式：dy/dx = 2y -3 将初始值y(0) = 1带入。

步骤二：确定计算步长确定计算步长h。

步长的大小与计算精度有直接关系，步长太小，计算量将很大，而精度较高；步长太大，精度较低。

步长的计算公式为：h = (b-a)/n其中，a和b是区间限制，n是初始步数。

步骤三：使用欧拉法求解微分方程根据欧拉法的公式，假设在t时刻函数y的值是y(t)，求在下一个时刻t+h如何估算y值，公式为：y(t+h) = y(t)+ h * y'(t)将y'(t)=2y-3代入上式，得：y(t+h) = y(t)+ h* (2y(t)-3)接下来，根据初始值y(0) = 1，带入计算步长可得出一系列的近似值。

步骤四：绘制函数图像对于计算结果，应绘制出函数的近似图像。

通过matlab绘制y（x）的图像，也可以通过计算的数据进行近似曲线的绘制。

步骤五：测试计算结果通过计算结果与初始值进行比较，看算法是否正确和有效。

也可以将步长不同的计算结果进行比较，判断精度和计算效率的高低。

欧拉法解常微分方程在matlab中的使用，相较于手工计算，更具有高效、准确、方便的优势。

正因如此，在各类数学、物理、工程等领域中都有着广泛的应用。

matlab欧拉法求解微分方程例题当使用Matlab的欧拉法（Euler's method）求解微分方程时，需要将微分方程转化为离散的差分方程。

下面以一个简单的一阶常微分方程为例来说明。

假设我们要求解以下的微分方程：dy/dx = x + y并给定初始条件 y(0) = 1。

我们可以使用欧拉法来逼近该微分方程的解。

在Matlab中，可以按照以下步骤进行求解：1. 定义步长和计算步数：h = 0.1; % 步长 N = 10; % 计算步数2. 初始化变量并给定初始条件：x = zeros(N+1, 1); % 初始化 x 数组 y = zeros(N+1, 1); % 初始化 y 数组 x(1) = 0; % 初始条件 x(0) = 0 y(1) = 1; % 初始条件 y(0) = 13. 使用欧拉法进行迭代计算：for i = 1:N x(i+1) = x(i) + h; % 计算下一个 x 值 y(i+1) = y(i) + h * (x(i) + y(i)); % 根据差分方程计算下一个 y 值end4. 绘制结果：plot(x, y, 'o-'); % 绘制连线图 xlabel('x'); ylabel('y'); title('Approximate Solution using Euler''s Method');完整的代码如下：h = 0.1; % 步长 N = 10; % 计算步数 x = zeros(N+1, 1); % 初始化 x 数组 y = zeros(N+1, 1); % 初始化 y 数组 x(1) = 0; % 初始条件 x(0) = 0 y(1) = 1; % 初始条件 y(0) = 1 for i = 1:N x(i+1) = x(i) + h; % 计算下一个 x 值y(i+1) = y(i) + h * (x(i) + y(i)); % 根据差分方程计算下一个 y 值 end plot(x, y, 'o-'); % 绘制连线图xlabel('x'); ylabel('y'); title('Approximate Solution using Euler''s Method');运行该代码，将得到近似的解曲线图，表示微分方程的数值解。

MATLAB常微分⽅程数值解——欧拉法、改进的欧拉法与四阶龙格库塔⽅法MATLAB常微分⽅程数值解作者：凯鲁嘎吉 - 博客园1.⼀阶常微分⽅程初值问题2.欧拉法3.改进的欧拉法4.四阶龙格库塔⽅法5.例题⽤欧拉法，改进的欧拉法及4阶经典Runge-Kutta⽅法在不同步长下计算初值问题。

步长分别为0.2,0.4,1.0.matlab程序：function z=f(x,y)z=-y*(1+x*y);function R_K(h)%欧拉法y=1;fprintf('欧拉法：x=%f, y=%f\n',0,1);for i=1:1/hx=(i-1)*h;K=f(x,y);y=y+h*K;fprintf('欧拉法：x=%f, y=%f\n',x+h,y);endfprintf('\n');%改进的欧拉法y=1;fprintf('改进的欧拉法：x=%f, y=%f\n',0,1);for i=1:1/hx=(i-1)*h;K1=f(x,y);K2=f(x+h,y+h*K1);y=y+(h/2)*(K1+K2);fprintf('改进的欧拉法：x=%f, y=%f\n',x+h,y);endfprintf('\n');%龙格库塔⽅法y=1;fprintf('龙格库塔法：x=%f, y=%f\n',0,1);for i=1:1/hx=(i-1)*h;K1=f(x,y);K2=f(x+h/2,y+(h/2)*K1);K3=f(x+h/2,y+(h/2)*K2);K4=f(x+h,y+h*K3);y=y+(h/6)*(K1+2*K2+2*K3+K4);fprintf('龙格库塔法：x=%f, y=%f\n',x+h,y);end结果：>> R_K(0.2)欧拉法：x=0.000000, y=1.000000欧拉法：x=0.200000, y=0.800000欧拉法：x=0.400000, y=0.614400欧拉法：x=0.600000, y=0.461321欧拉法：x=0.800000, y=0.343519欧拉法：x=1.000000, y=0.255934改进的欧拉法：x=0.000000, y=1.000000改进的欧拉法：x=0.200000, y=0.807200改进的欧拉法：x=0.400000, y=0.636118改进的欧拉法：x=0.600000, y=0.495044改进的欧拉法：x=0.800000, y=0.383419改进的欧拉法：x=1.000000, y=0.296974龙格库塔法：x=0.000000, y=1.000000龙格库塔法：x=0.200000, y=0.804636龙格库塔法：x=0.400000, y=0.631465龙格库塔法：x=0.600000, y=0.489198龙格库塔法：x=0.800000, y=0.377225龙格库塔法：x=1.000000, y=0.291009>> R_K(0.4)欧拉法：x=0.000000, y=1.000000欧拉法：x=0.400000, y=0.600000欧拉法：x=0.800000, y=0.302400改进的欧拉法：x=0.000000, y=1.000000改进的欧拉法：x=0.400000, y=0.651200改进的欧拉法：x=0.800000, y=0.405782龙格库塔法：x=0.000000, y=1.000000龙格库塔法：x=0.400000, y=0.631625龙格库塔法：x=0.800000, y=0.377556>> R_K(1)欧拉法：x=0.000000, y=1.000000欧拉法：x=1.000000, y=0.000000改进的欧拉法：x=0.000000, y=1.000000改进的欧拉法：x=1.000000, y=0.500000龙格库塔法：x=0.000000, y=1.000000龙格库塔法：x=1.000000, y=0.303395注意：在步长h为0.4时，要将for i=1:1/h改为for i=1:0.8/h。

matlab用欧拉法求解常微分方程在数学和科学领域中，常微分方程是一种非常有用的工具，用于描述许多自然和物理现象。

MATLAB是一种强大的数学软件，可以用来解决许多数学问题。

本文将介绍如何使用欧拉法在MATLAB中求解常微分方程。

欧拉法是一种基本的数值方法，用于近似解决微积分方程问题。

该方法使用离散时间步长，将微积分方程转换成差分方程，并不断迭代求解。

欧拉法的实现非常简单，因此它很适合初学者。

下面是使用欧拉法在MATLAB中求解常微分方程的步骤：1. 定义常微分方程以 y' = -0.5y + 3sin(t) 为例，我们先定义常微分方程。

在MATLAB中，可以使用 anonymous functions 实现：dydt = @(t,y) -0.5*y + 3*sin(t);2. 定义时间范围和时间步长我们需要定义时间范围和时间步长，以便在一定时间范围内求解差分方程。

在这个例子中，我们定义时间范围为 0 到 10，并定义时间步长为 0.1：tspan = [0 10];h = 0.1;3. 定义初始条件我们需要定义初始条件，即 y(0) 的值。

在这个例子中，我们假设 y(0) = 1：y0 = 1;4. 求解差分方程现在我们可以使用欧拉法求解差分方程了。

在MATLAB中，可以使用 odeEuler 函数（需要自己编写）：[t,y] = odeEuler(dydt,tspan,y0,h);5. 可视化结果最后，我们可以将结果可视化，以便更好地理解求解过程。

在这个例子中，我们可以用 plot 函数将求解结果绘制出来：plot(t,y)xlabel('Time')ylabel('y(t)')title('Solution of y'' = -0.5y + 3sin(t) using Euler''s method')以上就是使用欧拉法在MATLAB中求解常微分方程的基本步骤。

浙江大学城市学院实验报告课程名称数值计算方法实验项目名称常微分方程初值问题的数值解法 实验成绩指导老师签名日期2015/12/16 一.实验目的和要求1． 用Matlab 软件掌握求微分方程数值解的欧拉方法和龙格－库塔方法； 2． 通过实例学习用微分方程模型解决简化的实际问题;二.实验内容和原理编程题2-1要求写出Matlab 源程序m 文件,并有适当的注释语句；分析应用题2-2,2-3,2-4,2-5要求将问题的分析过程、Matlab 源程序和运行结果和结果的解释、算法的分析写在实验报告上; 2-1 编程编写用向前欧拉公式和改进欧拉公式求微分方程数值解的Matlab 程序,问题如下：在区间[],a b 内(1)N +个等距点处,逼近下列初值问题的解,并对程序的每一句添上注释语句; Euler 法y=eulera,b,n,y0,f,f1,b1改进Euler 法y=eulerproa,b,n,y0,f,f1,b1 2-2 分析应用题假设等分区间数100n =,用欧拉法和改进欧拉法在区间[0,10]t ∈内求解初值问题()()20(0)10y t y t y '=-⎧⎨=⎩并作出解的曲线图形,同时将方程的解析解也画在同一张图上,并作比较,分析这两种方法的精度; 2-3 分析应用题用以下三种不同的方法求下述微分方程的数值解,取10h = 画出解的图形,与精确值比较并进行分析; 1欧拉法； 2改进欧拉法； 3龙格－库塔方法；2-4 分析应用题考虑一个涉及到社会上与众不同的人的繁衍问题模型;假设在时刻t 单位为年,社会上有人口()x t 人,又假设所有与众不同的人与别的与众不同的人结婚后所生后代也是与众不同的人;而固定比例为r 的所有其他的后代也是与众不同的人;如果对所有人来说出生率假定为常数b ,又如果普通的人和与众不同的人的婚配是任意的,则此问题可以用微分方程表示为：其中变量()()()i p t x t x t =表示在时刻t 社会上与众不同的人的比例,()i x t 表示在时刻t 人口中与众不同的人的数量;1假定(0)0.01,0.02p b ==和0.1r =,当步长为1h =年时,求从0t =到50t =解()p t 的近似值,并作出近似解的曲线图形;2精确求出微分方程的解()p t ,并将你当50t =时在分题b 中得到的结果与此时的精确值进行比较; MATLAB 相关函数求微分方程的解析解及其数值的代入dsolve‘egn1’,‘egn2’,‘x ’ subsexpr,{x,y,…},{x1,y1,…}其中‘egn i ’表示第i 个方程,‘x ’表示微分方程中的自变量,默认时自变量为t ; subs 命令中的expr 、x 、y 为符合型表达式,x 、y 分别用数值x1、x2代入; >>symsxyz>>subs'x+y+z',{x,y,z},{1,2,3} ans= 6>>symsx>>subs'x^2',x,2 ans= 4>>s=dsolve‘12Dy y ∧=+’,‘(0)1y =’,‘x ’ ans= >>symsx >>subss,x,2 ans=右端函数(,)f x y 的自动生成f=inline ‘expr ’,’var1’,‘var2’,……其中’expr ’表示函数的表达式,’var1’,‘var2’表示函数表达式中的变量,运行该函数,生成一个新的函数表达式为fvar1,var2,……; >>f=inline'x+3y','x','y' f=Inlinefunction: fx,y=x+3y >>f2,3 ans= 114,5阶龙格－库塔方法求解微分方程数值解t,x=ode45f,ts,x0,options其中f 是由待解方程写成的m 文件名；x0为函数的初值；t,x 分别为输出的自变量和函数值列向量,t的步长是程序根据误差限自动选定的;若ts=t0,t1,t2,…,tf,则输出在自变量指定值,等步长时用ts=t0:k:tf,输出在等分点；options 用于设定误差限可以缺省,缺省时设定为相对误差310-,绝对误差610-,程序为：options=odeset ‘reltol ’,rt,’abstol ’,at,这里rt,at 分别为设定的相对误差和绝对误差;常用选项见下表;选项名 功能 可选值 省缺值 AbsTol 设定绝对误差正数 RelTol 设定相对误差 正数InitialStep 设定初始步长 正数 自动 MaxStep设定步长上界正数MaxOrder 设定ode15s 的最高阶数 1,2,3,4,5 5 Stats 显示计算成本统计 on,off off BDF 设定ode15s 是否用反向差分on,offoff例：在命令窗口执行>>odefun =inline ‘2*y t y -’,‘t ’,‘y ’；>>[],45(,[0,4],1)t y ode odefun =；ans=>>t y ‘o-’,%解函数图形表示>>45(,[0,4],1)ode odefun %不用输出变量,则直接输出图形 >>[],45(,0:4,1)t y ode odefun =；[],t yans=三.操作方法与实验步骤包括实验数据记录和处理2-1编程编写用向前欧拉公式和改进欧拉公式求微分方程数值解的Matlab 程序,问题如下：在区间[],a b 内(1)N +个等距点处,逼近下列初值问题的解,并对程序的每一句添上注释语句; Euler 法y=eulera,b,n,y0,f,f1,b1改进Euler 法y=eulerproa,b,n,y0,f,f1,b1Euler 法y=eulera,b,n,y0,f,f1,b1 y=zeros1,n+1; y1=y0; h=b-a/n; x=a:h:b; fori=1:n; yi+1=yi+hfxi,yi; end plotx,y holdon%求微分方程的精确解 x1=linspacea,b,100; '精确解为' s=dsolvef1,b1,'x' symsxy1=zeros1,100; for i=1:100y1i=subss,x,x1i; endplotx1,y1,'r'title'红色代表精确解'改进Euler 法y=eulerproa,b,n,y0,f,f1,b1 %求微分方程的数值解 y=zeros1,n+1; y1=y0; h=b-a/n; x=a:h:b; fori=1:n; T1=fxi,yi; T2=fxi+1,yi+hT1; yi+1=yi+h/2T1+T2; end plotx,y holdon%求微分方程的精确解 x1=linspacea,b,100; '精确解为' s=dsolvef1,b1,'x' symsxy1=zeros1,100; fori=1:100 y1i=subss,x,x1i; endplotx1,y1,'r'title'红色代表精确解' 2-2分析应用题假设等分区间数100n =,用欧拉法和改进欧拉法在区间[0,10]t ∈内求解初值问题()()20(0)10y t y t y '=-⎧⎨=⎩并作出解的曲线图形,同时将方程的解析解也画在同一张图上,并作比较,分析这两种方法的精度;1向前欧拉法>>euler0,10,100,10,inline'y-20','x','y','Dy=y-20','y0=10' ans= 精确解为 s= 20-10expx ans= +005Columns1through8（2）改进欧拉法>>eulerpro0,10,100,10,inline'y-20','x','y','Dy=y-20','y0=10' ans= 精确解为 s= 20-10expx ans= +005Columns1through8改进欧拉法的精度比向前欧拉法更高; 2-3分析应用题用以下三种不同的方法求下述微分方程的数值解,取10h = 画出解的图形,与精确值比较并进行分析; 1欧拉法； 2改进欧拉法；2-4分析应用题考虑一个涉及到社会上与众不同的人的繁衍问题模型;假设在时刻t 单位为年,社会上有人口()x t 人,又假设所有与众不同的人与别的与众不同的人结婚后所生后代也是与众不同的人;而固定比例为r 的所有其他的后代也是与众不同的人;如果对所有人来说出生率假定为常数b ,又如果普通的人和与众不同的人的婚配是任意的,则此问题可以用微分方程表示为：其中变量()()()i p t x t x t =表示在时刻t 社会上与众不同的人的比例,()i x t 表示在时刻t 人口中与众不同的人的数量;1假定(0)0.01,0.02p b ==和0.1r =,当步长为1h =年时,求从0t =到50t =解()p t 的近似值,并作出近似解的曲线图形;2精确求出微分方程的解()p t ,并将你当50t =时在分题b 中得到的结果与此时的精确值进行比较;1>>euler0,50,50,,inline'','t','p','Dp=','p0= 1' ans= 精确解为 s=1-99/100expx/500 ans=Columns1through82>>dsolve'Dp=','p0=','t' ans=1-99/100expt/500 >>1-99/100exp ans=与欧拉法求得的精确值差0,0001四.实验结果与分析。

欧拉法求解微分方程matlab引言微分方程是数学中一类重要的方程，广泛应用于物理、工程、经济等领域。

而求解微分方程是数学建模与计算科学中的一个关键问题，其中欧拉法是一种常用的数值求解微分方程的方法。

本文将介绍欧拉法的原理和具体实现方法，并用MATLAB进行实例演示。

欧拉法原理欧拉法是一种基于近似和离散化的数值求解微分方程的方法。

它的基本思想是将微分方程转化为差分方程，通过近似求解差分方程来得到微分方程的近似解。

以一阶常微分方程为例，我们设方程为dy/dx = f(x, y)，其中f(x, y)为已知函数。

欧拉法的基本思想是通过将自变量x的区间[a, b]离散化为多个小区间，然后在每个小区间上用线性插值来计算近似解。

具体步骤如下：1.将区间[a, b]平均分割成n个小区间，每个小区间的宽度为h = (b - a) /n。

2.初始化近似解的初始值，通常是在初始点(a, y0)处，其中y0为已知的初始条件。

3.根据差分方程的递推关系式，依次计算每个小区间上的近似解，直到达到终点(b, yn)。

递推关系式为：yn+1 = yn + h * f(xn, yn)，其中xn为当前区间的起点。

欧拉法的优缺点欧拉法作为一种简单直观的数值求解方法，具有以下优点：•简单易懂，易于理解和实现。

•计算代价较小，在有限的计算资源下能够快速求解微分方程。

•在某些情况下能够得到较为精确的近似解。

然而，欧拉法也存在一些缺点：•求解精度有限，特别是在计算步长较大或方程非线性的情况下，误差会积累导致结果偏差较大。

•对于某些特殊的微分方程，欧拉法可能不收敛或产生不稳定的结果。

•仅适用于离散化步长较小的情况，对于某些复杂的微分方程，求解效果可能较差。

在实际应用中，我们需要根据具体的问题和求解要求来选择合适的数值求解方法，欧拉法只是其中的一种选择。

欧拉法的MATLAB实现以下是欧拉法在MATLAB中的实现代码：function [x, y] = eulerMethod(f, a, b, y0, n)h = (b - a) / n;x = a:h:b;y = zeros(1, n+1);y(1) = y0;for i = 1:ny(i+1) = y(i) + h * f(x(i), y(i));endend在该代码中，我们定义了一个名为eulerMethod的函数，该函数接受以下参数：•f：已知函数f(x, y)，表示微分方程dy/dx = f(x, y)的右侧项。