1. Варианты индивидуальных заданий

Таблица 2.3.2-1

№	Интеграл	№	Интеграл
1		16
2		17
3		18
4		19
5		20
6		21
7		22
8		23
9		24
10		25
11		26
12		27
13		28
14		29
15		30

2. С

4. Содержание отчета

1. В форме комментариев:

• Название лабораторной работы

• ФИО студента, номер группы

• № варианта

• Индивидуальное задание

2. Протокол вычислений (сессии) в Командном окне, снабженный необходимыми комментариями.

2.3.3. Контрольные вопросы по теме

1. Назначение функции inttrap(x,y)?

2. Что возвращает функция inttrap(x,y), если y(x) – матрица?

3. Можно ли использовать функцию inttrap(x,y), если узлы по оси х - не равноотстоящие?

4. Какая функция Scilab позволяет вычислить определенный интеграл с заданной точностью?

5. Способы задания подынтегральной функции при вычислении определенного интеграла с использованием функции integrate().

6. Как задать точность вычисления определенного интеграла?

Тема 2.4. Технология решения обыкновенных дифференциальных уравнений

2.4.1. Численное решение обыкновенных дифференциальных уравнений

2.4.2. Лабораторная работа

2.4.3. Контрольные вопросы по теме

2.4.1. Численное решение решения обыкновенных дифференциальных уравнений

Представим обыкновенное дифференциальное уравнение (ОДУ) первого порядка в виде, разрешенном относительно производной ,и пусть – начальные условия его решения.

Тогда решением ОДУ является функция , которая будучи подставленной в исходное уравнение, обратит его в тождество, и одновременно будут выполняться начальные условия. Эта задача в математике называется задачей Коши.

Задача Коши при решении ОДУ n-го порядка формулируется аналогично, при этом начальными условиями должны быть: При решении Оду n-го порядка уравнение путем выполнения ряда обозначений представляется в виде системы дифференциальных уравнений:

Результатом решения ОДУ численными методами является таблица значенийy = (x) на некотором множестве значений аргументах. Поэтому при постановке задачи численного решения ОДУ наряду с начальными условиями x₀, y₀необходимо задать область решения – отрезок [a;b] и шаг изменения аргумента h (шаг интегрирования).

Для получения численного решения ОДУ используются методы Рунге-Кутты. Методы различаются порядком. Чем выше порядок метода, тем точнее решение, полученное при равном шаге интегрирования.

Для решения дифференциальных уравнений и систем в Sciab предусмотрена функция:

[y,w,iw]=ode([type],y0,t0,t [,rtol [,atol]],f [,jac] [,w,iw]),

для которой, обязательными входными параметрами являются:

y0 - вектор начальных условий;

t0 - начальная точка интервала интегрирования;

t - координаты узлов сетки, в которых происходит поиск решения;

f - внешняя функция, определяющая правую часть уравнения или системы уравнений;

y - вектор решений.

Таким образом, для того чтобы решить обыкновенное дифференциальное уравнение необходимо вызвать функцию y=ode(y0,t0,t,f).

Рассмотрим необязательные параметры функции ode:

type– параметр, с помощью которого можно выбрать метод решения или тип решаемой задачи, указав одну из строк: adams - применяют при решении дифференциальных уравнений или систем методом прогноза - коррекции Адамса;

stiff - указывают при решении жестких задач;

rk - используют при решении дифференциальных уравнений или систем методом Рунге-Кутты четвертого порядка;

rkf - указывают при выборе пятиэтапного метода Рунге-Кутты четвертого порядка;

fix - тот же метод Рунге-Кутты, но с фиксированным шагом;

rtol, atol - относительная и абсолютная погрешности вычислений, вектор, размерность которого совпадает с размерностью вектора y, по умолчанию rtol=0.00001, atol=0.0000001 (при использовании параметров rkf и fix - rtol=0.001, atol=0.0001);

jac- матрица, представляющая собой якобиан правой части жесткой системы дифференциальных уравнений, задают матрицу в виде внешней функции вида J=jak(t,y);

w, iw - векторы, предназначенные для сохранения информации о параметрах интегрирования, которые применяют для того, чтобы последующие вычисления выполнялись с теми же параметрами.

Рассмотрим использование функции ode() на примере решения следующей задачи.

Пример 2.4.1-1. Найти решение ОДУ на отрезке [0;5] cшагом 0.5 при начальных условиях

Рис. 2.4.1-1. Решение ОДУ с использованием функции ode()

Рис. 2.4.1-2. Графическое решение ОДУ

Пример 2.4.1-2.Решить систему ОДУ

Решение системы ОДУ в Scilab начинается с функции, описывающей систему (рис.2.4.1-3).

Для решения дифференциального уравнения (системы уравнений) используем команды, где решение системы ОДУ записывается в переменную y. При этом элемент y(1) содержит значение функцииy(x), а y(2) значение производной y'(x). Команда plot(x, y) строит график функции решения ОДУ и ее производной (рис. 2.4.1-4).

Рис.2.4.1-3. Решение системы ОДУ

Рис.2.4.1-4. Графики функций решения ОДУ и производной

Scilab, к сожалению не позволяет получить символьного выражения производной от функции, но он содержит встроенную функцию numderivative(f,a), позволяющую проводить вычисление значения производной в точке (рис.2.4.1-5). В качестве параметров этой функции выступают:

f - функция, которую нужно дифференцировать;

х - точка, в которой требуется вычислить производную.

Рис.2.4.1-5. Вычисление производной в точке с использованием функции numderivative()

2.4.2. Лабораторная работа по теме

«Технология решения обыкновенных

дифференциальных уравнений средствами Scilab»

1. Вопросы, подлежащие изучению

1. Постановка задачи решения ОДУ.

2. Вычисление числовых значений производных в точках с использованием функции numderivative().

3. Функция Scilab, предназначенная для решения ОДУ ode().

4. Вывод результатов решения ОДУ в виде таблицы.

5. Получение графического решения ОДУ.

2. Общее задание

1. Изучите материал Темы 2.4 (п. 2.4.1).

2. Выберите индивидуальный вариант задания из табл. 2.4.2-1.

3. Вычислить значение производной от функции f(x) в произвольной точке с использованием функции numderivative();

4. Найдите решение ОДУ на отрезке [a;b] с шагом h с использованием функции ode() .

5. Создайте матрицу решений, записав в первый столбец аргумент, а во второй - решение, полученное с использованием функций ode().

6. Выведите полученную таблицу по столбцам.

7. Постройте график полученных решений ОДУ.

8. Сохраните текст рабочего окна на внешнем носителе.

9. Предоставьте результаты работы преподавателю, ответьте на поставленные вопросы.

10. Оформите отчет по выполненной работе.