初值问题和边值问题

《计算机数学基础(2)》辅导六

第14章 常微分方程的数值解法

一、重点内容 1. 欧拉公式：

(k＝0，1，2，…，n－1)

局部截断误差是O(h2)。 2. 改进欧拉公式：

或表示成： 平均形式：

局部截断误差是O(h)。

3. 四阶龙格――库塔法公式：

3

0.5

其中 ?1＝f(xk，yk)；?2＝f(xk+h，yk+

0.5

h?1)；?3＝f(xk+

0.5

h，yk+

0.5

h?2)；

?4＝f(xk+h，yk+h?3)

局部截断误差是O(h5)。

二、实例

例1 用欧拉法解初值问题

取步长h＝0.2。计算过程保留4位小数。

解 h＝0.2，f(x，y)＝－y－xy2。首先建立欧拉迭代格式

＝0.2yk(4－xkyk) (k＝0，1，2) 当k＝0，x1＝0.2时，已知x0＝0，y0＝1，有

y(0.2)≈y1＝0.2×1(4－0×1)＝0.8

当k＝1，x2＝0.4时，已知x1＝0.2，y1＝0.8，有

y(0.4)≈y2＝0.2×0.8×(4－0.2×0.8)＝0.6144

当k＝2，x3＝0.6时，已知x2＝0.4，y2＝0.6144，有

常微分方程初值问题数值解法

朱欲辉

（浙江海洋学院 数理信息学院, 浙江 舟山 316004）

[摘要]：在常微分方程的课程中讨论的都是对一些典型方程求解析解的方法. 然而在生产实际和科学研究中所遇到的问题往往很复杂, 在很多情况下都不可能给出解的解析表达式. 本篇文章详细介绍了常微分方程初值问题的一些数值方法, 导出了若干种数值方法, 如Euler法、改进的Euler法、Runge－Kutta法以及线性多步法中的Adams显隐式公式和预测校正公式, 并且对其稳定性及收敛性作了理论分析. 最后给出了数值例子, 分别用不同的方法计算出近似解, 从得出的结果对比各种方法的优缺点.

[关键词]：常微分方程; 初值问题; 数值方法; 收敛性; 稳定性; 误差估计

Numerical Method for Initial-Value Problems

Zhu Yuhui

(School of Mathematics, Physics, and Information Science, Zhejiang Ocean University, Zhoushan, Zhejiang 316004)

[Abstract]: In the course abo

《计算方法》实验指导书

《计算方法》实验指导书

实验1 方程求根

一、实验目的

1． 通过对二分法、牛顿法、割线法作编程练习，进一步体会它们各自不同的特点； 2． 了解二分法，切线法，割线法。

3． 能熟练运用二分法，牛顿法进行方程求根

4． 通过上机调试运行，对方程求根的几种方法程序进行改进。

二、实验要求

1． 上机前作好充分准备，包括复习编程所需要的语言工具。 2． 上机时要遵守实验室的规章制度，爱护实验设备。

3． 记录调试过程及结果，记录并比较与手工运算结果的异同。 4． 程序调试完后，须由实验辅导教师在机器上检查运行结果。 5． 给出本章实验单元的实验报告。

三、实验环境、设备

1． 硬件设备：IBM PC以上计算

机，有硬盘和一个软驱、单机和网络环境均可。

2． 软件环境： C语言运行环境。

四、实验原理、方法 二分算法计算步骤：

（1）输入有根区间的端点a、b及预先给定的精度ε；

（2）计算中点x=(a+b)/2；

（3）若f(x)f(b)<0，则a=x，转向下一步；否则b=x，转向下一步； （4）若b-a<ε，则输出方程满足精度要求的根x，结束；否则转向步骤（2）。 迭代法：

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《计算方法》实验指导书

开始 输入 x0, ε,N k=1 开始 输入x0, ?,N k=1 f'(x0)=0? 是 k=k+1 x1=?(x0) 是 否 x?x?10f(x)

数值分析第五章课件

第5章 常微分方程数值解法§5.1 引言 u( x1 , , xn ) y ' x y y包含自变量、未知函数及未知函数的导数或微 ( x) : 2 2 u u y (0) 1 2 0 2 , x1 自变量的 xn 分的方程称为微分方程.在微分方程中 个数只有一个, 称为常微分方程.自变量的个数为 两个或两个以上的微分方程叫偏微分方程.微分方 程中出现的未知函数最高阶导数的阶数称为微分方

程的阶数.如果未知函数y及其各阶导数

y , y , , y

( n)

都是一次的,则称它是线性的,否则称为非线性的.

数值分析第五章课件

在《常微分方程》中，对于常微分方程的求解，给出了一些典型方程求解析解的基本方法，如可分

离变量法、常系数齐次线性方程的解法、常系数非齐次线性方程的解法等.但能求解的常微分方程仍 然是有限的，大多数的常微分方程是不可能给出解 析解. 譬如

y x y2

2

这个一阶微分方程就不能用初等函数及其积分来 表达它的解.

数值分析第五章课件

再如，方程

y y y (0) 1的解 y e x ,虽然有表可查,但对于表上没 有给出 e x 的值,仍

《计算方法》实验指导书

《计算方法》实验指导书

实验1 方程求根

一、实验目的

1． 通过对二分法、牛顿法、割线法作编程练习，进一步体会它们各自不同的特点； 2． 了解二分法，切线法，割线法。

3． 能熟练运用二分法，牛顿法进行方程求根

4． 通过上机调试运行，对方程求根的几种方法程序进行改进。

二、实验要求

1． 上机前作好充分准备，包括复习编程所需要的语言工具。 2． 上机时要遵守实验室的规章制度，爱护实验设备。

3． 记录调试过程及结果，记录并比较与手工运算结果的异同。 4． 程序调试完后，须由实验辅导教师在机器上检查运行结果。 5． 给出本章实验单元的实验报告。

三、实验环境、设备

1． 硬件设备：IBM PC以上计算

机，有硬盘和一个软驱、单机和网络环境均可。

2． 软件环境： C语言运行环境。

四、实验原理、方法 二分算法计算步骤：

（1）输入有根区间的端点a、b及预先给定的精度ε；

（2）计算中点x=(a+b)/2；

（3）若f(x)f(b)<0，则a=x，转向下一步；否则b=x，转向下一步； （4）若b-a<ε，则输出方程满足精度要求的根x，结束；否则转向步骤（2）。 迭代法：

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开始 输入 x0, ε,N k=1 开始 输入x0, ?,N k=1 f'(x0)=0? 是 k=k+1 x1=?(x0) 是 否 x?x?10f(x)

数值分析教学课件

第三章 常微分方初值程问数题解法值3.1引 言 3. 2简的数单方值法与本概基念

3.3 格-库龙方塔法.4 单步3法收的性敛稳与性定

.53 性线多步法36.方 程组高阶和方

程3

数值分析教学课件

.1引 言章本论一阶常微分讨方程初值的题问： y f( x ,y ) y x(0 ) y 0只要数函 f x,( y )当光适—如滑满足利普茨希条件：f x( ,y) f ( ,xy ) Ly y

论理就上保证能值问题的解 y初 y( x )存 在并且唯一。所 谓数值法解就，寻求解是 y(x) 在 系一列散离点x1 x2 xn xn 1

上的近 值 y 似, , , yy ,y , ,相两个点间邻距的离h xx 称为步 长一。情般下我况取们h h i( 1, , 2)为 数常，是节点这： x 为 x n, hn 0 ,1 2, ,1 2 nn n1n 1 n in

数值分析教学课件

3.1 0言引初值题问的解求一有基个特点，本们都是它取 采“进式步”求解，的，一即步一地求函步数值。 求的的解主方法要：是对方程进行离散化先，立

第7章 常微分方程初值问题的数值解法

7.1 引 言

科学研究和工程技术中的许多问题在数学上往往归结为微分方程的求解问题。为了确定微分方程的解，一般要加上定解条件，根据不同的情况，这些定解条件主要有初始条件(initial condition)和边界条件(boundary condition). 只含初始条件作为定解条件的微分方程求解问题称为初值问题(initial-value problem); 例如天文学中研究星体运动,空间技术中研究物体飞行等，都需要求解常微分方程初值问题(initial-value problem for ordinary differential equations). 只含边界条件作为定解条件的微分方程求解问题称为边值问题(boundary-value problem).

除特殊情形外，微分方程一般求不出解析解，即使有的能求出解析解，其函数表示式也比较复杂，计算量比较大，而且实际问题往往只要求在某一时刻解的函数值. 为了解决这个问题，有两种方法可以逼近原方程的解。第一种方法是：将原微分方程化简为可以准确求解的微分方程，然后使用化简后的方程的解近似原方程的解；第二种方法是：将求原微分方程的解析解转化为求原方程的数

1 静电场的边值问题

1．镜象法的理论依据是（ ）。基本方法是在所求场域的外部放置镜像电荷以等效的取代边界表面的（ ）。

2．根据边界面的形状，选择适当的坐标系，如平面边界，则选直角坐标；圆柱面选圆柱坐标系；球面选球坐标。以便以简单的形式表达边界条件。将电位函数表示成三个一维函数的乘积，将拉普拉斯方程变为三个常微分方程，得到电位函数的通解，然后寻求满足条件的特解，称为（ ）

3．将平面、圆柱面或球面上的感应电荷分布（或束缚电荷分布）用等效的点电荷或线电荷（在场区域外的某一位置处）替代并保证边界条件不变。原电荷与等效点电荷（即通称为像电荷）的场即所求解，称为（ ），其主要步骤是确定镜像电荷的位置和大小。

4．（ ）是一种数值计算方法，把求解区域用网格划分，同时把拉普拉斯方程变为网格点的电位有限差分方程（代数方程）组。在已知边界点的电位值下，用迭代法求得网格点电位的近似数值。

5．用镜像法求解电场边值问题时，判断镜像电荷的选取是否正确的根据是（ ）。 A．镜像电荷是否对称 B．电位所满足的方程是否未改变 C．边界条件是否保持不变 D．同时选择B和C

1 静电场的边值问题

1．镜象法的理论依据是（ ）。基本方法是在所求场域的外部放置镜像电荷以等效的取代边界表面的（ ）。

2．根据边界面的形状，选择适当的坐标系，如平面边界，则选直角坐标；圆柱面选圆柱坐标系；球面选球坐标。以便以简单的形式表达边界条件。将电位函数表示成三个一维函数的乘积，将拉普拉斯方程变为三个常微分方程，得到电位函数的通解，然后寻求满足条件的特解，称为（ ）

3．将平面、圆柱面或球面上的感应电荷分布（或束缚电荷分布）用等效的点电荷或线电荷（在场区域外的某一位置处）替代并保证边界条件不变。原电荷与等效点电荷（即通称为像电荷）的场即所求解，称为（ ），其主要步骤是确定镜像电荷的位置和大小。

4．（ ）是一种数值计算方法，把求解区域用网格划分，同时把拉普拉斯方程变为网格点的电位有限差分方程（代数方程）组。在已知边界点的电位值下，用迭代法求得网格点电位的近似数值。

5．用镜像法求解电场边值问题时，判断镜像电荷的选取是否正确的根据是（ ）。 A．镜像电荷是否对称 B．电位所满足的方程是否未改变 C．边界条件是否保持不变 D．同时选择B和C

目录

一.静场的态值问题概述 边二唯.一定理性

三分离.变量法四镜.像法五格林函.数六法.它其析方解法

一

、静态场的值问题边述概 分布型题问：已由场源知电(荷电、流)布分，直从接的场积 公分求式空间各的场点布分。 边值问题型：由知已量场场域边界在的上值求场域内，的场分。布解法

析解 法(镜法像分离变量法、 数)法 值有限(分差法

数学)理物程方是述描理量随空物间和间时的变规律化对。于一特某 定区域和的刻时方程，的解决于取理量物的初始与边界值，即值初条件和

边始界件，条者又两统称为该方程的定条解件静。场量与时间态无关，因位函数所满足此泊的方松程及拉拉斯方普 程的解仅定于边决界条件根据。给的边定界条件解空间任一点的位函数就求是静 态的边值问题场

一、静态。场边值问题概述的 2 2 0 微分方程 1 2 11 2 2 n n分面 衔接界条件第一类

S 1f ( s) n f (2s)S

边 问值

边题界条件场 域界条件

第二边类第三 类然 自边条界件

( ) f (3 )s n S

l i m r 有限r 值

、唯二性一定理1.唯 一定理性 在域场中V的界