Численный методы решения простейших диф ур-ий первого порядка

Рассмотрим несколько численных методов решения дифференциальных уравнений первого порядка. Описание численных методов приводится для уравнения в виде у'=f(x,y).

1. Метод Эйлера.

Рассмотрим два варианта вывода расчетных формул

• вариант 1 (аналитический) у=f (x,y)

y1=y0+h*f(x0,y0) x1=x0+h	Расчетные формулы для 1-го шага
yi+1=yi+h*f(xi,yi) xi+1=xi*h	Расчетные формулы для i-го шага

• вариант 2 (графический)

	y1=y0+f(x0,y0)*h; x1=x0+h yi+1=yi+h*f(xi,yi)
k1=h*f(xi,yi) yi+1=yi+ki xi+1=xi+h	Аналогично варианту 1

• 
  

Следующие расчетные формулы приводятся без вывода.

1. Модифицированный метод Эйлера (вариант 1).

у_i+1=у_i+hf(x_i+h/2, y_i+hf(x_i,y_i)/2),

x_i+1=x_i+h.

1. Модифицированный метод Эйлера (вариант 2).

у_i+1=у_i+(h/2)[f(x_i,y_i)+f(x_i,+h,y_i+hf(x_i,y_i))],

x_i+1=x_i+h.

1. Метод Рунге-Кутта третьего порядка.

у_i+1=у_i+(k₁+4k₂+k₃)/6,

k₁=hf(x_i, y_i),

k₂=hf(x_i+h/2, y_i+k₁/2),

k₃=hf(x_i+h, y_i+2k₂-k₁),

x_i+1=x_i+h.

1. Метод Рунге-Кутта четвертого порядка.

у_i+1=у_i+(k₁+2k₂+2k₃+k₄)/6,

k₁=hf(x_i,y_i),

k₂=hf(x_i+h/2, y_i+k₁/2),

k₃=hf(xi+h/2, y_i+k₂/2),

k₄=hf(x_i+h, y_i+k₃),

x_i+1=x_i+h,

где у_i+1,у_i - значения искомой функции в точках x_i+1, x_i соответственно, индекс i показывает номер шага интегрирования, h - шаг интегрирования. Начальные условия при численном интегрировании учитываются на нулевом шаге: i=0, x=x₀, y=y₀.

Пример. Численно и аналитически решить дифференциальное уравнение dy/dx=x² при y|_x=0 =1. Определить значение функции при x_k=1, h=1.

Решение задачи приведено в таблице.

Таблица