Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Опорний конспект лекцій.doc
Скачиваний:
46
Добавлен:
11.02.2016
Размер:
3.99 Mб
Скачать

Метод Рунге-Кута

Розглянемо випадки загального підходу за назвою метод Рунге-Кутта, у якому значення функції yn+1 у точці xn+1 обчислюють тільки за допомогою значення функції yn у попередній функції xn . Сутність методу полягає в тому, що для замкнутого відрізка [xn , xn + h] знаходяться точки /0,1,…m,0,…n-1,n/ і підбирають сталі R0, R1,…,Rmтак, щоб для інтегральної кривої в=f(x), що проходить через точку / x0, y0 / , ордината aпроксимувалася виразом

K= y0 + h[ R0f(0, 0) + R1 f(1 ,1 ) + … + Rm f(m, m)].

При цьому 0 = x0; 0 = y0; 1 = x0 + 0h; 1 = y0 + 0k1;

K1= h f(0, 0); 2 = x0 + 1h; 2 = y0 + 1k1 + 2 k2;

K2= h f(1, 1).

Кількість членів апроксимаціїу квадратнихдужкахвизначаєпорядокметодуРунге-Кута.

В окремому випадку, алгоритм четвертого порядку має вид:

K1 = h * f(xn,yn); K2 = h*f(xn + h/2, yn + K1/2);

K3 = h*f(xn + h/2, yn + K2/2); K4 = h*f(xn + h, yn + K3);

yn+1 = yn + ( K1+ 2 K2+ 2 K3+ K4)/6,

Коефіцієнти й обирані точкивизначвютьприрозкладенніфункціїіfу рядТейлорапо ступенях крокуhі прирівнюванням однакових ступенівhу лівій і правій частинах рівності

(x0 + h) = f (x0 + h, ( x0 + h)).

Оцінка похибкиметоду дуже скрутна. Порядок точності методу –h4.

Метод а.Н. Крилова послідовних наближень

Розглянемодиференціальне рівняння типу

y =f(x,y) (1)

Зпочатковою умовою

y(x0)=y0.

Виведемо спочатку ряд допоміжних формул, поклавши

yi = y(x0+ih) і yi =f(xi, yi) (i=0, 1, 2, …)

Академік Крилов запропонував формулу для обчислень початку таблиці розв’язання задачі, отриману з формули Ньютона для інтерполяції вперед аналогічно тому, як були отримані формули Адамса:

yi+1=yi+qi+½qi -1/122qi-1(2)

Далі дивитися в книзі 2, зісписку літератури.

Метод Адамса

Метод Адамса відноситьсядо так званих методів, що використовують «прогноз ікорекцію». Він дозволяєодержатидосить високий ступіньточностіінтегрування без значного зменшення кроку інтегрування, не обчислюючи багаторазовокривоїчастинирівняння.

Основна ідея цього методу полягаєв застосуванні при інтегруванні другої інтерполяційної формули Ньютона. Якщо длякеруванняу'=f(х, у) уравностоячихточкахосі /xn+1-xn=h/ знайти наближене значеннярозв’язанняв=(x), що проходить черезточку/x0,y0/, то як підготовчий крок для деякого числаточокпо будь-якомуметодузнаходять наближене значенняy1=(x1);y2=(x2);y3=(x3) іскладаютьінтерполяційний багаточлен Ньютона, що в обранихкрапкахx1,x2,x3приймає обчислені значенняy1,y2,y3. Інтегруючи цей багаточлен у межах одного кроку,одержуємонаближене значенняyn+1. Це перший етап екстраполяції, потім можна використовувати інтерполяцію длянаступногокроку і т.д. Інтерполяційна формула Адамса маєвид

yn =yn+1-yn=qn+ ½qn-1+ 5/122qn-2+ 3/83qn-3, (1.1)

де

qn=hf(xn,yn);qn-1=hf(xn-1,yn-1);

qn-2=hf(xn-2,yn-2);qn-3=hf(xn-3,yn-3).

Схема розв’язання методом Адамса:

x0(n-3)y0(n-3)q0(n-3)q0(n-3)2q0(n-3)3q0(n-3);

x1(n-2) y1(n-2) q1(n-2) q1 (n-2) 2q1 (n-2);

x2(n-1) y2(n-1) q2(n-1) q2 (n-1);

x3(n) y3(n) q3(n).

Формула у' = f(x,y) застосовується для продовження цієї таблиці й екстраполяції значення:

yn+1=yn+yn.

Для уточненняотриманогозначення по формулі у' =f(x,y) можна застосувати формулу «корекції»:

yn=qn+ ½qn-1/2qn-1 – 1/243qn-3. (1.2)

Формула (1.1) називається інтерполяційною формулою Адамса. По формулі (1.1) знаходять спочатку перше наближене значенняy(0) n+1, а після перерахування, по формулі (1.2),одержуютьнове значенняy(1) n+1і поційжітераційнійформулі знаходятьподальшінаближеннядоти, поки не буде отриманенеобхідненаближення.

Це відбудеться в тому випадку, коли два наступні значення будуть мало відрізнятися одинвідодного.

Для роботи зЕОМ застосовуємо формулу відповідності:

экстраполяційнуформулу Адамса

y n+1=y n+h/24 (55y n- 59y n-1+37y n-2- 9y n-3).

Застосування формул Адамса дозволяє одержатидоситьвеликуточність інтегрування, але оцінка похибкидосить складна.