Лекции.Орг


Поиск:




Категории:

Астрономия
Биология
География
Другие языки
Интернет
Информатика
История
Культура
Литература
Логика
Математика
Медицина
Механика
Охрана труда
Педагогика
Политика
Право
Психология
Религия
Риторика
Социология
Спорт
Строительство
Технология
Транспорт
Физика
Философия
Финансы
Химия
Экология
Экономика
Электроника

 

 

 

 


Методы решения дифференциальных уравнений высокого порядка и систем уравнений




 

Приведенные выше методы построения формул численного интегрирования одного дифференциального уравнения без всяких изменений переносятся на случай систем уравнений и уравнений высокого порядка.

Для уравнений высокого порядка необходимо перейти к нормальной форме Коши

,

и все рассмотренные выше операции выполняются над векторами.

Например, схема Эйлера выглядит следующим образом:

,

или для элементов вектора в виде

.

Метод Рунге-Кутта 4-го порядка будет давать следующую вычислительную схему:

,

где

,

,

,

.

Для элементов вектора соответственно имеем

,

где

,

,

,

.

Вычислительные схемы, основанные на формулах Адамса, строятся аналогичным образом.

Основная проблема при решении уравнений высокого порядка – это переход к нормальной форме Коши. Если правая часть уравнения является укороченной, т.е. имеет место уравнение вида

,

то переход к нормальной форме является простым – вводятся новые переменные:

В этом случае нормальная форма Коши записи дифференциального уравнения будет выглядеть следующим образом:

Если правая часть не является укороченной, то есть имеет место уравнение вида:

,

то нормальная (каноническая) форма Коши будет иметь следующий вид:

(8.25)

где

, .

Как видим, для приведения уравнения -го порядка с переменными коэффициентами к канонической форме уравнений первого порядка необходимо, чтобы существовали производные от коэффициентов этого уравнения до -го порядка включительно.

Аналогичная процедура выполняется и для нелинейных уравнений.

Рассмотрим нелинейное уравнение второго порядка

,

где

­– произвольная нелинейная функция.

Перейдем к нормальной форме Коши. Система уравнений в данном, частном случае, будет следующей

,

,

,

Функции , , вычисляются согласно приведенным выше формулам, а именно:

,

,

.

Формула (8.25) в векторно-матричном виде выглядит следующим образом

, (8.26)

где

, (8.27)

,

, .

Рассмотрим реализацию неявного метода Адамса на примере формулы (8.24) для системы линейных уравнений (8.26).

Формула Адамса (8.24) для системы уравнений будет иметь вид

.

Подставляя в нее правые части уравнения (8.26), записанные в форме (8.27), будем иметь

.

Преобразуем данное уравнение относительно переменной :

(8.28)

Если ввести обозначения

,

,

выражение (8.28) приобретает вид

. (8.29)

Уравнение (8.29) представляет собой систему линейных алгебраических уравнений относительно искомого решения . Решение последнего находится в виде

.

Как видим, при реализации неявных методов, построенных по схеме Адамса, на каждом шаге интегрирования приходится решать систему линейных алгебраических уравнений.

Для повышения сходимости вычислительных схем рекомендуется использовать малый шаг интегрирования .

 

 


[1] «В среднем» здесь понимается в вероятностном смысле.

[2] Имеется более общее определение числа обусловленности:

 

Здесь задается через векторные нормы и может быть применено к вырожденным матрицам. В случае обратимых матриц при использовании согласованных матричных норм отсюда получается.

* от англ. Successive over relaxation

* В зарубежной литературе используется аббревиатура ADI- Alternating Direction Implicite

* Полагая,видим, что, в силу 2.3 и 2.1,.

* Через здесь обозначается спектральный радиус указанной вскобках матрицы

* Здесь и далее под дифференцируемостью понимается дифференцируемость по Фреше (см. приложение 1).

** т.е. на множестве точек таких, что.





Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2016-11-12; Мы поможем в написании ваших работ!; просмотров: 458 | Нарушение авторских прав


Поиск на сайте:

Лучшие изречения:

Чтобы получился студенческий борщ, его нужно варить также как и домашний, только без мяса и развести водой 1:10 © Неизвестно
==> читать все изречения...

2432 - | 2320 -


© 2015-2024 lektsii.org - Контакты - Последнее добавление

Ген: 0.011 с.