Rozdzia l 1

Fizyka laboratorium 3

1.1. Ró żnice skończone

Przyjrzyjmy sie równaniu różniczkowemu zwyczajnemu pierwszego rzedu, postaci:

,

,

dy(t)

f (y, t) =

(1.1)

dt

Równanie (1.1) opisuje zmiane funkcji y przy zmianie parametru t, Jeżeli parametr

,

t bedzie oznacza l czas, równanie to opisuje wyrażona przez funkcje f zmiane funkcji

,

,

,

,

y w czasie. Rozwiazaniem analitycznym jest tego równania jest funkcja y(t). która

,

podstawiona do równania (1.1) przekszta lca je w tożsamość.

Zamieniajac odpowiednio przyrost dy na ∆y oraz dt na ∆t otrzymujemy:

,

∆y

dy

lim

=

(1.2)

∆y→0,∆t→0

∆t

dt

Równanie (1.1) w rachunku różnic skończonych zapisać możemy w postaci:

∆y

f (y, t) =

(1.3)

∆t

Mnożac obie strony przez ∆t otrzymujemy wyrażenie na zmiane funkcji y w prze-

,

,

dziale czasu ∆t:

∆y = f (y, t)∆t

(1.4)

Znajac warunki poczatkowe (poczatkowa wartość y) możemy obliczyć nowa wartość

,

,

,

,

y po up lywie czasu ∆t jako:

∆y

= f (y, t)∆t

(1.5)

yn+1 = yn + f (yn, yn)∆t

1

1.2. Ca lkowanie równań różniczkowych 1.2. Ca lkowanie równań ró żniczkowych Równanie (1.1) przedstawia funkcje y zależna od czasu t. Równanie to można rozwia-

,

,

,

zać poprzez ca lkowanie po parametrze t. Ponieważ bedziemy rozwiazywali równanie

,

,

dla kolejnych kroków czasowych wprowadzimy nastepujace oznaczenia: y

,

,

n+1 – war-

tość y w n + 1 kroku czasowym, yn – wartość y w n-tym kroku czasowym: Z

tn+1

yn+1 = yn +

f (y, t)dt

(1.6)

tn

Równanie to opisuje przyrost funkcji y w przedziale czasu od tn do tn+1. Ca la idea metody numerycznej skupia sie na przybliżeniu różnicowym ca lki po prawej stro-

,

nie równania. Dok ladność, z jaka wyznaczymy wartość ca lki, ma znaczenie dla sta-

,

bilności rozwiazania numerycznego równania (1.1). Należy pamietać, że otrzymane

,

,

rozwiazanie jest tylko przybliżeniem rozwiazania dok ladnego.

,

,

1.3. Schemat ró żnicowy Eulera

Najprostszym sposobem na przybliżenie ca lki z równania (1.6) jest ca lkowanie metoda prostokatów.

,

,

f(y,t)

fn

t

tn

tn+1

Rysunek 1.1. metoda prostokatów

,

Stosujac te metode otrzymamy najprostszy schemat różnicowy, zwany metoda Eu-

,

,

,

,

lera:

yn+1 = yn + f (y, t)h + O(h2)

(1.7)

gdzie h ↔ ∆t

Możemy wyprowadzić schemat metody Eulera siegajac do definicji pochodnej:

,

,

0

y(t + h) − y(t)

y (t) = lim

(1.8)

h→0

h

możemy wiec rezygnujac z granicy możemy zapisać przybliżenie:

,

,

0

y(t + h) − y(t)

y (t) ≈

(1.9)

h

2

1.4. Metoda Midpoint czyli po przekszta lceniu

0

y(t + h) − y(t) ≈ hy (t)

(1.10)

czyli:

0

y(t + h) ≈ y(t) + hy (t)

(1.11)

0

Przechodzac do wprowadzonej notacji y (t) = f (y, t) możemy zapisać schemat w

,

postaci:

y(t + h) ≈ y(t) = hf (y, t)

(1.12)

yn+1

styczna

f ’(x n )

f(x n+1 )

f(x n )

h=x n+1- x n

x n

x n+1

Rysunek 1.2. metoda Eulera

1.3.1. Rzad dok ladności metody

,

Dla sprawdzenia rzedu dok ladności metody dokonamy rozwiniecia funkcji y w szereg

,

,

Taylora:

∞

00

X y(n)

0

y (t)

y(n)

y(t + h) =

hn = y(t) + y (t)h +

h2 + . . . +

hn

(1.13)

n!

2!

n!

n=0

Widać, że metoda Eulera obcina rozwiniecie po pierwszej pochodnej czyli: y(t+h) ≡

,

0

yn+1, y(t) ≡ yn, y (t)h ≡ f (y, t)h Obciecie rozwiazania do wyrazu h w potedze 1 w lacznie oznacza, że metoda różni-

,

,

,

,

cowa ma dok ladność pierwszego rzedu wzgledem rozwiniecia w szereg Taylora. B lad

,

,

,

,

obciecia wynosi O(h2)

,

1.4. Metoda Midpoint

Nazwa metody wynika z faktu, że tn + h/2 jest punktem środkowym pomiedzy

,

tn w którym wartość funkcji y(t) jest znana, oraz punktem tn+1 w którym szukamy 3

1.4. Metoda Midpoint wartości funkcji y(t). Jest to metoda zaliczana do metod Runge-Kutta (inaczej zwana metoda Runge-Kutta drugiego rzedu).

,

Metoda ta bazuje na metodzie Eulera wykorzystujac kolejna pochodna przy rozwi-

,

,

,

nieciu w szereg Taylora.

,

0

h

y(t + h) − y(t)

y (t +

) ≈

(1.14)

2

h

nastepnie:

,

0

h

y(t + h) ≈ y(t) + hy (t +

)

(1.15)

2

co możemy zapisać jako:

h

h

y(t + h) ≈ y(t) + hf

y(t +

), t +

(1.16)

2

2

Nie możemy skorzystać z równania (1.16) ponieważ nie znamy wartości y w punkcie h

t +

. Rozwiazaniem jest rozwiniecie w szereg Taylora i przybliżenie tej wartości.

2

,

,

h

h 0

h

y

t +

≈ y(t) +

y (t) = y(t) +

f (y(t), t)

(1.17)

2

2

2

Co po podstawieniu do (1.16) daje:

h

h

y(t + h) ≈ y(t) + hf

y(t) +

f (y(t), t) , t +

(1.18)

2

2

Ogólnie schemat metody MidPoint możemy zapisać jako: k1 = f (yn, tn)

(1.19)

h

h

k2 = f

yn +

k1, tn +

(1.20)

2

2

yn+1 = yn + hk2 + O(h3)

(1.21)

4

1.5. Metoda Runge–Kutta Przybli•ona styczna

wynik Euler yn+1

w punkcie t +h/2

n

k = f ( y , t ) 1

n

n

h

y +

k

n

1

2

wynik MidPoint

yn 1

+

yn

h/2

h/2

t

t

n

n 1

+

Rysunek 1.3.

metoda MidPoint

1.5. Metoda Runge–Kutta

Ogólnie metode możemy zapisać w postaci:

,

X

yn+1 = yn + h

amkm

(1.22)

m

gdzie: am – wspó lczynniki wagowe, km styczne obliczone w kolejnych krokach tn ≤

x ≤ tn+1. Wagi spe lniaja warunek:

,

X am = 1

(1.23)

m

1.5.1. Metoda RK4

Schematycznie metode możemy zapisać w nastepujacy sposób:

,

,

,

k1 = f (yn, tn)

h

h

k2 = f

yn +

k1, tn +

2

2

h

h

k3 = f

yn +

k2, tn +

2

2

k4 = f (yn + hk3, tn + h)

co zgodnie ze wzorem (1.22) daje: h

yn+1 = yn +

(k1 + 2k2 + 2k3 + k4)

(1.24)

6

5

1.5. Metoda Runge–Kutta wynik Euler yn+1

Przybli•ona styczna

w punkcie t +h/2

n

k = f ( y , t ) 1

n

n

h

h

h

y +

k

n

1

=

+

+

2

k

f ( y

k , x

2

n

2 1

n

2

2

h

h

y

k

n 1

+

= f ( y + k , x +

3

n

2 2

n

2

3

yn

=

+

+

1

k

f ( y

hk , t

h)

4

n

n

3

h/2

h/2

t

t

n

n 1

+

Rysunek 1.4. metoda RK4

6

Document Outline

  • Rozdział 1. Fizyka laboratorium 3
    • Różnice skończone
    • Całkowanie równań różniczkowych
    • Schemat różnicowy Eulera
      • Rząd dokładności metody
    • Metoda Midpoint
    • Metoda Runge–Kutta
      • Metoda RK4