Задание и порядок выполнения работы

1. Изучить теоретические основы метода.

2. Составить программу реализации для каждого метода.

3. Решить вариант задачи и построить графики для точного и приближенного решений с шагом h, проверить сходимость.

4. Вычислить и построить графики для локальной и истинной(между точным и приближенным решениями) погрешностей.

5. Провести сравнительный анализ методов.

Варианты заданий

Таблица 1

№ п/п	Уравнение	Начальное условие	Шаг	Отрезок	Точное решение
1		y(0)=1	0,1	[0;5]
2		y(0)=1	0,1	[0;5]
3		y(0)=2	0,1	[0;5]
4		y(0)=2	0,1	[0;5]
5		y(0)=1	0,1	[0;5]
6		y(0)=1	0,1	[0;5]
7		y(2)=0	0,1	[2;7]

Лабораторная работа № 2 методы рунге-кутты Краткие теоретические сведения

О б щ а я ф о р м у л и р о в к а

В 1895 г. Рунге и Хойн построили новые методы, включив один или два шага по Эйлеру. Но именно Кутта сформулировал общую схему того, что теперь называется методом Рунге-Кутты.

Основное преимущество явных методов Рунге-Кутты – возможность получить решение в следующем узле расчетной сетки на основе значений в текущем и (иногда) в предыдущих узлах. Количество задействованных таким образом точек называется числом этапов (стадий) и является важной характеристикой используемого метода.

Решение дифференциального уравнения вида

производится по следующему алгоритму:

(2.1)

где - решение в текущем узле; – решение в следующем узле, отстоящем от текущего на шаг h; s – целое положительное число (число стадий или этапов); – значения производной решения на промежуточных точках, расположенных между текущим и следующим узлами; – вещественные коэффициенты, определяющие s-стадийный явный метод Рунге-Кутты (ЯМРК).

Обычно коэффициенты удовлетворяют условиям

или . (2.2)

Смысл условий в том, что все точки, в которых вычисляются f, являются приближениями первого порядка к решению. Эти условия сильно упрощают вывод условий, определяющих порядок аппроксимации для методов высокого порядка.

Метод Рунге–Кутты применим также для приближенного решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений.

Пусть дана система дифференциальных уравнений

и начальные условия

.

Здесь под Y и F понимаются векторы

.

Задавшись некоторым шагом h и введя стандартные обозначения, положим:

Для значений Y приближенного решения в следующем узле, отстоящем от текущего на шаг h, в этом случае получим:

О п р е д е л е н и е п о р я д к а

Метод Рунге-Кутты имеет порядок p , если для достаточно гладких задач

, (2.3)

т.е. если ряды Тейлора для точного решения и для приближенного решения совпадают до члена h^p включительно.

О б с у ж д е н и е м е т о д о в 3-г о п о р я д к а

Метод Рунге-Кутты имеет порядок 3 тогда и только тогда, когда выполнены следующие равенства:

(2.5)

Эти выражения можно упростить, подставив в них

(2.6)

После упрощения, решив систему уравнений, для коэффици­ентов метода 3-го порядка получим следующие выражения

(2.7)

О б с у ж д е н и е м е т о д о в 4-г о п о р я д к а

Рассмотрим 4-стадийный метод Рунге-Кутты порядка 4. Используя предположения

и

получим следующие условия порядка:

(2.8)

или

(2.9)

При и возможны следующие четыре случая решения системы уравнений условия порядка