Более общее уравнение Эйлера имеет вид:
.
Это уравнение подстановкой t = ax+b приводится к более простому виду, которое мы и будем рассматривать.
- Приведение дифференциального уравнения Эйлера к уравнению с постоянными коэффициентами.
- Решение однородного уравнения Эйлера
- Примеры
- Решение неоднородного уравнения Эйлера
- Пример
- Неоднородное уравнение Эйлера со специальной неоднородной частью
- Метод Эйлера: для чего он нужен, порядок действий и упражнения
- Содержание:
- Что такое метод Эйлера?
- Решенные упражнения
- Упражнение 1
- Решение
- Упражнение 2.
- Решение
- Упражнение 3.
- Решение
- Ньютоновская динамика и метод Эйлера
- Упражнение 4.
- Решение
- Предлагаемые упражнения для дома
- Упражнение 1
- Упражнение 2.
- Ссылки
- Курсовая работа: Решение дифференциальных уравнений по методу Эйлера
Видео:Численное решение задачи Коши методом ЭйлераСкачать
Приведение дифференциального уравнения Эйлера к уравнению с постоянными коэффициентами.
Рассмотрим уравнение Эйлера:
(1) .
Оно сводится к линейному уравнению с постоянными коэффициентами подстановкой:
x = e t .
Действительно, тогда
;
;
;
;
;
.
Таким образом, множители, содержащие x m , сокращаются. Остаются члены с постоянными коэффициентами. Однако на практике, для решения уравнений Эйлера, можно применять методы решения линейных ДУ с постоянными коэффициентами без использования указанной выше подстановки.
Видео:Линейное дифференциальное уравнение Коши-ЭйлераСкачать
Решение однородного уравнения Эйлера
Рассмотрим однородное уравнение Эйлера:
(2) .
Ищем решение уравнения (2) в виде
.
;
;
.
.
Подставляем в (2) и сокращаем на x k . Получаем характеристическое уравнение:
.
Решаем его и получаем n корней, которые могут быть комплексными.
Рассмотрим действительные корни. Пусть ki – кратный корень кратности m . Этим m корням соответствуют m линейно независимых решений:
.
Рассмотрим комплексные корни. Они появляются парами вместе с комплексно сопряженными. Пусть ki – кратный корень кратности m . Выразим комплексный корень ki через действительную и мнимую части:
.
Этим m корням и m комплексно сопряженным корням соответствуют 2 m линейно независимых решений:
;
;
.
.
После того как получены n линейно независимых решений, получаем общее решение уравнения (2):
(3) .
Примеры
Видео:Решение системы дифференциальных уравнений методом ЭйлераСкачать
Решение неоднородного уравнения Эйлера
Рассмотрим неоднородное уравнение Эйлера:
.
Метод вариации постоянных (метод Лагранжа) также применим и к уравнениям Эйлера.
Сначала мы решаем однородное уравнение (2) и получаем его общее решение (3). Затем считаем постоянные функциями от переменной x . Дифференцируем (3) n – 1 раз. Получаем выражения для n – 1 производных y по x . При каждом дифференцировании члены, содержащие производные приравниваем к нулю. Так получаем n – 1 уравнений, связывающих производные . Далее находим n -ю производную y . Подставляем полученные производные в (1) и получаем n -е уравнение, связывающее производные . Из этих уравнений определяем . После чего интегрируя, получаем общее решение уравнения (1).
Пример
Видео:Дифференциальное уравнение. Формула ЭйлераСкачать
Неоднородное уравнение Эйлера со специальной неоднородной частью
Рассмотрим уравнение Эйлера со специальной неоднородной частью:
(4)
,
где – многочлены от степеней и , соответственно.
Наиболее простой способ решения такого уравнения заключается в том, чтобы сделать подстановку
,
и решать линейное уравнение с постоянными коэффициентами со специальной неоднородной частью.
Автор: Олег Одинцов . Опубликовано: 14-08-2013 Изменено: 24-10-2020
Видео:Дифференциальные уравнения. Задача Коши. Метод Эйлера.Скачать
Метод Эйлера: для чего он нужен, порядок действий и упражнения
Метод Эйлера: для чего он нужен, порядок действий и упражнения — Наука
Видео:Метод ЭйлераСкачать
Содержание:
В Метод Эйлера Это самая базовая и простая из процедур, используемых для нахождения приближенных численных решений обыкновенного дифференциального уравнения первого порядка, при условии, что известно его начальное условие.
Обыкновенное дифференциальное уравнение (ОДУ) — это уравнение, которое связывает неизвестную функцию одной независимой переменной с ее производными.
Если наибольшая производная, которая появляется в уравнении, имеет степень один, то это обыкновенное дифференциальное уравнение первой степени.
Самый общий способ написать уравнение первой степени:
Видео:МЗЭ 2022 Численное решение дифференциальных уравнений Метод Эйлера Ложкин С. А.Скачать
Что такое метод Эйлера?
Идея метода Эйлера заключается в нахождении численного решения дифференциального уравнения в интервале между X0 и XF .
Сначала интервал дискретизируется на n + 1 балл:
Которые получаются так:
Икся= х0+ я
Где h — ширина или шаг подынтервалов:
С начальным условием также можно узнать производную в начале:
Эта производная представляет собой наклон касательной к кривой функции y (x) точно в точке:
Затем делается приблизительный прогноз значения функции y (x) в следующей точке:
Затем была получена следующая приближенная точка решения, которая будет соответствовать:
Процедура повторяется для получения последовательных баллов.
На рисунке, показанном в начале, синяя кривая представляет точное решение дифференциального уравнения, а красная — последовательные приближенные точки, полученные с помощью процедуры Эйлера.
Видео:МЗЭ 2022 Численное решение дифференциальных уравнений. Неявный метод Эйлера. Ложкин С.А.Скачать
Решенные упражнения
Видео:Метод Эйлера. Решение систем ДУСкачать
Упражнение 1
я) Пусть дифференциальное уравнение имеет вид:
При начальном условии x = a = 0; Yк= 1
Используя метод Эйлера, получить приближенное решение Y в координате X = b = 0,5, разбивая интервал [a, b] на n = 5 частей.
Видео:Видеоурок "Системы диф. уравнений. Метод Эйлера"Скачать
Решение
Численные результаты резюмируются следующим образом:
Из чего делается вывод, что решение Y для значения 0,5 составляет 1,4851.
Примечание: для проведения расчетов, Smath studio, бесплатная программа для бесплатного использования.
Видео:18+ Математика без Ху!ни. Дифференциальные уравнения.Скачать
Упражнение 2.
II) Продолжая работу с дифференциальным уравнением из упражнения I), найдите точное решение и сравните его с результатом, полученным методом Эйлера. Найдите ошибку или разницу между точным и приблизительным результатом.
Видео:Задача Коши ➜ Частное решение линейного однородного дифференциального уравненияСкачать
Решение
Точное решение найти не очень сложно. Производная функции sin (x) известна как функция cos (x). Следовательно, решение y (x) будет:
Для выполнения начального условия и (0) = 1 константа C должна быть равна 1. Затем точный результат сравнивается с приблизительным:
Сделан вывод, что в расчетном интервале аппроксимация имеет три значащих цифры точности.
Видео:Пример решения задачи Коши методом Эйлера. Метод Эйлера с пересчетом.Скачать
Упражнение 3.
III) Рассмотрим дифференциальное уравнение и его начальные условия, указанные ниже:
При начальном условии x0 = 0; Y0 = 1
Используйте метод Эйлера, чтобы найти приблизительные значения решения у (х) в интервале х = [0, 1,5]. Используйте шаг h = 0,1.
Видео:Численное решение обыкновенных дифференциальных уравнений в ExcelСкачать
Решение
Метод Эйлера очень подходит для использования с электронной таблицей. В этом случае мы будем использовать электронную таблицу геогебра бесплатная и бесплатная программа.
В электронной таблице на рисунке показаны три столбца (A, B, C), первый — это переменная Икс , второй столбец представляет переменную Y, а третий столбец — производная Y ‘.
Строка 2 содержит начальные значения Икс, Y, Y ‘ .
Шаг значения 0,1 помещен в ячейку абсолютного положения ($ D $ 4).
Начальное значение y0 находится в ячейке B2, а y1 — в ячейке B3. Чтобы вычислить y1 используется формула:
Эта формула электронной таблицы будет иметь вид B3: = B2 + $ D $ 4 * C3.
Точно так же y2 будет в ячейке B4, и его формула показана на следующем рисунке:
На рисунке также показан график точного решения и точки A, B,…, P приближенного решения по методу Эйлера.
Видео:Откуда появляются дифференциальные уравнения и как их решатьСкачать
Ньютоновская динамика и метод Эйлера
Классическая динамика была разработана Исааком Ньютоном (1643 — 1727). Первоначальная мотивация Леонарда Эйлера (1707 — 1783) к разработке своего метода заключалась именно в решении уравнения второго закона Ньютона в различных физических ситуациях.
Второй закон Ньютона обычно выражается в виде дифференциального уравнения второй степени:
куда Икс представляет положение объекта в момент т. Указанный объект имеет массу м и подвергается силе F. Функция F связана с силой и массой следующим образом:
Для применения метода Эйлера требуются начальные значения времени. т, скорость v и положение Икс.
В следующей таблице объясняется, как, начиная с начальных значений t1, v1, x1, можно получить приближение скорости v2 и положения x2 в момент t2 = t1 + Δt, где Δt представляет небольшое увеличение и соответствует шагу в методе Эйлер.
Видео:Численное решение системы дифференциальных уравнений(задачи Коши)Скачать
Упражнение 4.
IV) Одна из фундаментальных проблем механики — это проблема блока массы M, привязанного к пружине (или пружине) с постоянной упругостью K.
Второй закон Ньютона для этой проблемы будет выглядеть так:
В этом примере для простоты мы возьмем M = 1 и K = 1. Найдите приблизительные решения для положения Икс и скорость v методом Эйлера на временном интервале [0, π / 2], разбивая интервал на 12 частей.
Возьмите 0 в качестве начального момента, начальную скорость 0 и начальное положение 1.
Видео:Численные методы решения ДУ: метод ЭйлераСкачать
Решение
Численные результаты представлены в следующей таблице:
Также отображаются графики положения и скорости между временами от 0 до 1,44.
Видео:дифференциальное уравнение ЭйлераСкачать
Предлагаемые упражнения для дома
Упражнение 1
Используйте электронную таблицу, чтобы найти приближенное решение с помощью метода Эйлера для дифференциального уравнения:
y ’= — Exp (-y) с начальными условиями x = 0, y = -1 в интервале x = [0, 1]
Начните с шага 0,1. Постройте результат.
Упражнение 2.
Используя электронную таблицу, найдите численные решения следующего квадратного уравнения, где y является функцией независимой переменной t.
y ’’ = -1 / y² с начальным условием t = 0; и (0) = 0,5; у ‘(0) = 0
Найдите решение на интервале [0,5; 1.0] с шагом 0,05.
Постройте результат: y vs t; y ‘vs t
Ссылки
- Метод Эрлера Взято с wikipedia.org
- Решатель Эйлера. Взято с en.smath.com
Американский флаг: история и значение
25 песен о любви, которые заставят вас плакать
Курсовая работа: Решение дифференциальных уравнений по методу Эйлера
Название: Решение дифференциальных уравнений по методу Эйлера Раздел: Рефераты по математике Тип: курсовая работа Добавлен 20:43:28 26 декабря 2010 Похожие работы Просмотров: 1331 Комментариев: 21 Оценило: 3 человек Средний балл: 5 Оценка: неизвестно Скачать |
Nk / y=y(x)
Мк Мк /
Yk+1
Yk
хк хк1/2 xk+h =xk1 X
Получаем точку Nk / . В этой точке строим следующую касательную:
Из точки Мк проводим прямую с угловым коэффициентом αк и определяем точку пересечения этой прямой с прямой xк1 . Получаем точку Мк / . В качестве ук+1 принимаем ординату точки Мк / . Тогда:
Эти формулы называются рекуррентными формулами метода Эйлера.
Сначала вычисляют вспомогательные значения искомой функции yк+1/2 в точках xк+1/2 , затем находят значение правой части уравнения (1) в средней точке
3. Блок-схема алгоритма
где A — начальное значение x, B — конечное значение x, F(x) — значение функции в точке xn , N — количество промежутков, st – выбор операции, C1,C2,C3 – константы для формул, nom — сохраняет номер используемой функции.
На рисунке представлена блок-схема процесса решения дифференциального уравнения методом Эйлера
Подсчитывая каждый раз новое значение уравнения F(x), получаем последовательность значений xn yn , n=1,2,…
По этим значениям строим график.
4. Описание программы
Программа весьма проста. В ней много предусмотрено моментов неправильного ввода данных, о которых программа предупреждает пользователя и сразу же просит повторно ввести данные.
С самого начала программа предоставляет пользователю меню выполняемых функций, которые выделяются при помощи стрелок ↑ и ↓ выбор клавишей Enter:
После запуска программы нужно выбрать Formyla -> Enter, эта опция позволит из предложенного списка формул выбрать одну, по которой компьютер будет производить расчет и строить график. Все предложенные формулы имеют номерацию; чтобы выбрать интересующий вас пример нажмите на цифру равную номеру примера, и сразу же появится новое окно, в котором сверху будет записан ваш пример. Также в окне будет этот же пример но с нулями на месте констант. Под примером будет высвечена большая буква С, это используется для ввода констант. Для этого вам нужно нажать номер константы, он появится, и после знака равно запишите чему она равна (вводятся целые и вещественные значения). По окончании набора нажать Enter. Операцию повторять пока не будут введены все числа. По окончании нажать Esc. После появится строчка «уточните границы изменения Х, от A= до B= » здесь нужно занести данные на каком промежутке абсциссы будет рассматриваться функция. Следующая строчка попросит ввести начальные данные y(A)=. Следующей строчкой будет вопрос: «сохранить данные в файле? Да/Нет» ответить на этот вопрос с помощью клавиш Д и Н (рус), после чего программа вернется в первоначальное меню. Если данные были сохранены (в папке с программой появляется файл form.txt), то в следующий раз чтобы не набирать снова выберите в меню опцию Formyla -> Open in fails и на экране появятся введенные данные с пометкой снизу, сообщая что данные были прочитаны из файла.
Следующая опция Reshenie. После нажатия в окне просят ввести N(целое число) – число промежутков, на которые разделится рассматриваемый участок (ось ОХ). После появится таблица рассчитанных данных (номер точки, значение абсциссы, значение ординаты). При нажатии любой клавиши произойдет переход в меню.
Graphic эта опция позволяет визуально видеть решение, а так же на этом графике прописываются все данные: начальная формула, шаг и промежуток построения графика, масштаб, данные об его изменении(клавишами +(увеличить) и -(уменьшить), а также возможность определить точное значение функции в любой точке.
Опция Exit применяется для выхода из программы.
Результатом выполнения курсового проекта является готовый программный продукт, позволяющий решать дифференциальные уравнения по методу Эйлера, демонстрирующий возможности численного решения поставленной задачи с заданной степенью точности.
Данная программа решает заданную пользователем дифференциальное уравнение за минимальный промежуток времени. При этом пользователю предоставляется возможность визуально оценить решение, рассматривая график полученного решения.
К достоинствам программы можно отнести также удобный пользовательский интерфейс, возможность ввода пользовательских дифференциальных уравнений, а также давольно высокая стабильность работы. Однако имеются и некоторые недостатки. К недостаткам программы можно отнести: критичность к вводимым пользователем урававней, отсутствие обработки исключительных событий. Это, естественно, ограничивает возможности программы.
Список использованной литературы
1. Д. Мак-Кракен, У. Дорн. Численные методы и программирование на фортране. –М.: Мир,1977.-389,396-408 с.
2. А.А. Самарский. Введение в численные методы. – М.:Наука,1987.-176 с.
3. Алгоритмы вычислительной математики: Лабораторный практикум по курсу «Программирование» для студентов 1 — 2-го курсов всех специальностей БГУИР/А.К. Синицын, А.А. Навроцкий.- Мн.: БГУИР, 2002.- 65-69 с.
4. ГОСТ 2.105-95. Общие требования к текстовым документам.
5. ГОСТ 7.32-91. Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Отчет о НИР. Структура и правила оформления.
Приложение 1. Текст программы.
void formyl(int p)
if(p==1) printf(«n 1. C1*y’ = C2*y + C3*x + C4*x*y»);
else if(p==2) printf(«n 2. y’/(C1-100) = C2*y + C3*x + (C4+x)*y»);
else if(p==3) printf(«n 3. pow(e,C1)*y’ = C2*y + C3*cos(x) + (C4+x+y)»);
else if(p==4) printf(«n 4. C1*sin(x)*y’ = e*C2*y + C3*arcsin(x) + C4*y/x»);
else if(p==5) printf(«n 5. C1*y’ = sin(C2)*y + tg(C3*x) + C4*ln(x)*y»);
else if(p==6) printf(«n 6. C1*y’ = y*C2 + C3*sin(x) + C4*cos(x)*y»);
else if(p==7) printf(«n 7. (C1+C2+C3+C4)*y’ = C2*y + (C3-x) + lg(C4*x)*y»);
else if(p==8) printf(«n 8. y’/C1 = y/C2 + C3*sin(x) + C4*x*y»);
else if(p==9) printf(«n 9. sin(C1)*y’ = C2*y + |C3|*x + x*y/C4»);
void formyl2(int p,double C1,double C2,double C3,double C4)
else if(p==2) printf(«y’/(%.2f-100)=%.2f*y+%.2f*x+(%.2f+x)*y»,C1,C2,C3,C4);else if(p==3) printf(«pow(e,%.2f)*y’=%.2f*y+%.2f*cos(x)+(%.2f+x+y)»,C1,C2,C3,C4);
else if(p==4) printf(«%.2f*sin(x)*y’=e*%.2f*y+%.2f*arcsin(x)+%.2f*y/x»,C1,C2,C3,C4);
else if(p==5) printf(«%.2f*y’=sin(%.2f)*y+tg(%.2f*x)+%.2f*ln(x)*y»,C1,C2,C3,C4);
else if(p==6) printf(«%.2f*y’=y*%.2f+%.2f*sin(x)+%.2f*cos(x)*y»,C1,C2,C3,C4);
else if(p==8) printf(«y’/%.2f=y/%.2f+%.2f*sin(x)+%.2f*x*y»,C1,C2,C3,C4);
else if(p==9) printf(«sin(%.2f)*y’=%.2f*y+|%.2f|*x+x*y/%.2f»,C1,C2,C3,C4);
double formyl3(int p,double h,double x,double y,double C1,double C2,double C3,double C4)
else if(p==2) Y=h*(C1-100)*(y*C2+C3*x+(C4+x)*y)+y;
else if(p==3) Y=h*(C2*y+C3*cos(x)+C4+x+y)/exp(C1)+y;
else if(p==4) Y=h*(exp(1)*C2*y+C3*asin(x)+C4*y/x)/(C1*sin(x))+y;
else if(p==5) Y=h*(sin(C2)*y+tan(C3*x)+C4*log10(x)*y)/C1+y;
else if(p==6) Y=h*(y*C2+C3*sin(x)+C4*cos(x)*y)/C1+y;
else if(p==7) Y=h*(C2*y+(C3-x)+log10(C4*x)*y)/(C1+C2+C3+C4)+y;
else if(p==8) Y=h*(y/C2+C3*sin(x)+C4*x*y)*C1+y;
else if(p==9) Y=h*(C2*y+abs(C3)*x+x*y/C4)/sin(C1)+y;
int vv=0,vv1=0; // руководит операциями
int N=0,W; // кол промежутков
int i,j,k; // используются во всех «for»
int nom; // номер примера
int st=4,vst=0; // строчка в меню
double C1,C2,C3,C4; // константы
double M; // масштаб
double xtoch,ytoch; // считает y(x) по графику
double A=0,B=0,ii,jj,kk; // пределы интегрирования
double x[102],y[102]; // главные переменные x,y
int g_driver=9,g_mode=2, g_error;
printf(«n error=%d, reason=%sn», g_error, grapherrormsg(g_error));