二阶常微分方程边值问题数值方法
边值问题的数值解法
M b a 2 y xk y k h ，k 1， 2， ，n 1。 96
2
y 4 x 。因此，当 h 0 时，差分方程的解收敛到微分方 其中 M max a x b
y f x，y，y， y x，y sk，
这里的 s k 为
（8.6.3）
y
在 处的斜率。令 z y ，上述二阶方程可降为一阶方程组
y z， z f x，y，z ，
（8.6.4）
y a ，z a sk。
计算结果表明打靶法的效果是很好的，计算精度取决于所选取的初值问题数
值方法的阶和所选取的步长 h 的大小。不过，打靶法过分依赖于经验，选取试射 值，有一定的局限性。
第八章常微分方程数值解法
8.6.2 差分方法
差分方法是解边值问题的一种基本方法，它利用差商代替导数，将微分方程 离散化为线性或非线性方程组（即差分方程）来求解。 先考虑线性边值问题（8.6.2）的差分法。将区间 a，b 分成 n 等分，子区间的
s2
，同理得到 yb，s2 ，再判断它是否满足精度要求
y b，s2 。如此重复，直到某个 s 满足 y b，sk ，此时得到 k
的 y xi 和 yi z xi 就是边值问题的解函数值和它的一阶导数值。上述方程 好比打靶， s k 作为斜率为子弹的发射，y b 为靶心，故称为打靶法。
y xy 4 y 12 x 2 3x， 0 x 1， y 0 0，y 1 2，
其解的解析表达式为 y
x x 4 x 。来自解 先将该线性边值问题转化为两个初值问题
xy1 4 y1 12 x 2 3 x， y1 1 0， y1 0 0，y1 xy2 4 y2 0， y2 1 1。 y2 0 0，y2
浅谈二阶两点边值问题解的迭代格式
其中 Ｌ ｕ：（ （ ） ｔ ） ｑ ｔ ｕ ｔ （ ≤ｔ １ ， ≥０ Ｐ ｔ “ （ ） （ ） （ ） ０ ≤ ） ， ，
卢 １ ， ≥０卢 ≥０ ＋ ， ： Ｊ ≠０是边值问题 ０ ＞ ， ， 卢 ≠０ ｏ ＋８ ｚ ；
零 解 ， 值 问题 （ ． 和 （ ． 等 价 于 Ｈａｎ ｒｔｉ 边 ２ ２） ２ ３） ｌｍｅｓ ｎ型 方 程 ： ｅ
（ ￡ ２） 和 Ｃ 问 的锥 是 正规 的．
（） 』 ［（， ｓ （） ］ｓ ｔ＝ ｋ ｔ ） ， ｓ） ｄ 的解 ， ｑ ｔ ） ［ ， × ｓ 其 』 ， ：０１ （
二阶常微分 方程 的 两点边 值 问题 ， 出送 代序 列 ， 给 出 给 并
证 明．
了解 到 了 满 足 条件 的 一 阶 初 值 问题 可 以找 到 最 大 解 和 最 小 解 ， 且 可 以 找 到 迭 代 序 列 一 致 收 敛 于 最 大 解 和 最 小 并 解． 面我们研究 二阶两点边值问题 ： 下
的正规常数 ） ． 注 （ ） １ Ｐ是 正 规 锥 的 充 要 条 件 中 任 何 一 个 序 区 间
有界 ；
ｃ ，，￡ Ｊ ） ＾） ｄ ￡ ［１ ） ０ （ ｏ］（ ［ ， ）ｓ （ （ ］ 和 ） ｕ） 』［ ｓ （
／ ， （ ） ］ 可导 ， 且 满 足 Ｃ ｒ ｈ ｏ ｏｙ条 件 两 点 边 值 问 （ ｈ ） 并 ａａ ｅ ｄ ｒ ｔ 题 （ ． ） （ ． ） 应 的 齐 次 边 值 问 题 （ ． ） （ ． ） 有 ２ ２ 和 ２３ 对 ２４ 和 ２５ 只
专 题 研 究
镣 ＺＨＵＡＮＴＩ ＹＡＮＪ Ｕ …一 ！
二阶微分方程数值求解
二阶微分方程数值求解
要数值求解二阶微分方程，首先需要将其转化为一个一阶微分方程组。
假设待求解的二阶微分方程为：
y''(x) = f(x, y(x), y'(x))
将其转化为一阶微分方程组：
z(x) = y'(x)
z'(x) = f(x, y(x), z(x))
然后，可以选择数值求解方法，如欧拉方法、改进的欧拉方法、四阶龙格-库塔方法等等，对这个一阶微分方程组进行数值求解。
以欧拉方法为例，假设已知初始条件 y(x0) = y0，z(x0) = z0，
选择步长 h。
则可以按照以下步骤进行数值求解：
1. 初始化步数 n = 0，设置初始条件 y(x0) = y0，z(x0) = z0。
2. 计算下一步的值：y(x + h) = y(x) + h * z(x)，z(x + h) = z(x) +
h * f(x, y(x), z(x))。
3. 将 x 增加 h，即 x = x + h。
4. 将步数 n 增加 1，即 n = n + 1。
5. 重复步骤 2-4，直到达到目标位置的 x 值（如终点 x 结束条
件 x >= x_end）。
需要注意的是，数值求解方法的精度和稳定性都会受到步长的影响，过大的步长可能导致数值不稳定，过小的步长可能导致
计算量过大。
因此，选择合适的步长是很重要的。
值得一提的是，当二阶微分方程为边值问题时，可以采用有限差分法、有限元法等数值方法进行数值求解。
这些方法会更为复杂，并涉及到边界条件的处理。
边值问题的数值解法在具体求解常微分方程时-2022年学习资料
中南大学数学科学与计算技术学院-第八章常微分方程数值解法-=323-z2=-x32+4y2?-y20=0, 20=0。-取h=0.02,用经典R-K法分别求这两个方程组解yx和y2x的计算值y1:和-y2i,然后按 8.6.6得精确解-6=,t2=0.x-y21-的打靶法计算值》：，部分点上的计算值、精确值和误差列于表8 12。-版核防行：小人学影学烧
中南大学数学科学与计算技术学院-第八章常微分方程数值解法-值得指出的是，对于线性边值问题86.2，一个简单 实用的方法是用解-析的思想，将它转化为两个初值问题：-y"+pxyi+qxy =fx-ya=a,ya=0: 「片+px5+gxy2=0,-ly2a=a,y2a=l。-求得这两个初值问题的解yx和y2x,若y2b≠0 容易验证-a高-8.6.6-为线性两点边值问题8.6.2的解。-例8.7用打靶法求解线性边值问题-版核防行 小人学影学烧
中南大学数学科学与计算技术学院-第八章常微分方程数值解法-y”+y-4y=12x2-3x,0<x<1,-1 0=0,y1=2,-其解的解析表达式为yX=x4+x。-解先将该线性边值问题转化为两个初值问题-y0=0, 1=0,-y2+y%-4y2=0,-y20=0,y1=1。-令乙1=2=y?，将上述两个边值问题分别降为一 方程组初值问题-31=-x31+4y1+12x2-3x,-y,0=0,z10=0,-版权防行：小人学影学烧
中南大学数学科学与计算技术学院-第八章常微分方程数值解法-表8-12-Xi-yu-y2i-yx-y-yl-0.2--0.002407991-0.204007989-0.2016000053-,0.2016000 00-0.53×10-8-0.4--0.006655031-0.432255024-0.425600008 -0.4256000000-0.80x108-0.6-0.019672413-0.709927571-0. 2960000830.7296000000-0.83×108-0.145529585-1.06407038 -1.2096000058-1.2096000000-0.58x108-0.475570149-1.524 28455-2.00000000002.0000000000-例8.8用打靶法求解线性边值问题-4y"+y =2x3+16,-y2=8,y3=35/3。-要求误差不超过0.5×106，其解析解是yx=x2+8/x。 解对应于8.6.4的初值问题为-版凤防行：小人学数：学烧
常微分方程的边值问题
常微分方程的边值问题
常微分方程的边值问题（也称为常微分方程的定边值问题）是求解一个微分方程在一个给定的时间段上的特定解的问题，其中方程的解需要满足一些给定的边界条件。
这些边界条件通常指定了方程在时间间隔的起点和终点处的值，或者其他一些特定的时刻或位置上的值。
例如，一个常见的常微分方程的边值问题是求解一个二阶常微分方程：
y''(t) = f(t, y(t))
其中，y(t) 是未知函数，f(t, y) 是一个已知的函数。
这个问题需要在给定的时间段 [a, b] 上求解，并且需要满足以下的边界条件：
y(a) = y_a
y(b) = y_b
这里，y_a 和 y_b 是给定的数值。
这些边界条件指定了方程在时间间隔的起点和终点处的值。
常微分方程的边值问题在物理学、工程学、经济学等领域中都有广泛的应用。
解决常微分方程的边值问题需要使用数值解法或者解析解法，其中数值解法通常更为实用，因为它可以通过计算机程序来求解。
二阶常微分方程边值问题数值方法
其中 p( x),q( x)为,r已( x知) 函数，则由常微分方程的理论知，通过
变量替换总可以消去方程中的 项，不妨y设 变换后的方程为
y( x) q( x) y( x) r( x)
y(a) ,
y(b)
则近似差分方程成离散差分方程为
yi 1
2 yi h2
yi 1
qi
yi
ri
其中 qi q( xi ), ri r( xi ), i 1,2, , n. y0 ,
第一边界问题：
y0 , yn1
(8.9)
第二边界问题：
y1 y0 h , yn1 yn h
(8.10)
第三边界问题：
y1 (1 0h) y0 1h,
(1 0h) yn1 yn 1h
(8.11)
若 f ( x, y,是y) 的y线, y性 函数时，f 可写成
f (x, y, y) p(x) y( x) q( x) y(x) r( x)
以
y
为待定参数。
0
对第三类边界问题，仍可转化为考虑初值问题(8.5)，取
y0 ,
y0 1 0 y0 ，以 y为0 待定参数。
8.2 有限差分法
将区间[a,b]进行等分：
h
ba, n1
xi
a ih, i 0,1,
,n 1,
设在
x xi , i 0,1, , n 1处的数值解为 。 yi 用中心差分近似微分，即
而且还有误差估
计：
Ri
y( xi )
yi
M 24
h2
(
xi
a)(b xi )
其中 M max y(4。) ( x)
x[a ,b]
常微分方程的奇点与边值问题
常微分方程的奇点与边值问题常微分方程是数学中的重要分支，它研究的是描述自然现象的数学方程，如牛顿定律、热传导方程等。
这些方程通常包含未知函数及其导数，所以被称为常微分方程。
它们广泛应用于物理、工程、生物学、经济学等领域中的问题，具有很高的实用价值。
本文将介绍常微分方程中的奇点和边值问题，并探讨其在实际应用中的重要性。
一、奇点奇点是指常微分方程函数在某一点上其解变得不唯一或不能解析的点。
在正常情况下，微分方程的解应该是唯一的，并且在各个点上应该具有良好的解析性质。
但是有些情况下，函数会出现奇点，解变得不可解析，不同解之间也不再唯一。
奇点通常有两种类型：可去奇点和本质奇点。
可去奇点是指函数在该点上的不连续性可以被消除。
例如，当函数在某一点上的值为无穷大时，我们可以用极限的方法来消除该奇点。
但是本质奇点是无法消除的，它是函数固有的性质，例如在某一点上的导数不存在或者无界（趋向于无穷大或负无穷大）。
奇点的存在和性质对于常微分方程的解的形式和性质有着重要的影响。
例如，可以证明当微分方程的解在某个点上具有本质奇点时，解无法延拓到该点的某个领域内，因此在分析解的性质时应该注意奇点的存在。
二、边值问题在研究某些物理或工程问题时，我们可能需要求出微分方程在某个区间上的解，而且在区间的两个端点上需要满足一定的限制条件，这就是边值问题。
对于线性常微分方程，边值问题可以表示为：$$\begin{cases}y''(x)+p(x)y'(x)+q(x)y(x)=f(x) & (a<x<b) \\y(a)=\alpha, y(b)=\beta\end{cases}$$其中$p(x)$和$q(x)$是区间$[a,b]$上的已知函数，$f(x)$是右侧的已知函数，$\alpha$和$\beta$是区间两端点的给定值。
边值问题可以进一步分类为两类：线性边界值问题和非线性边界值问题。
前者是指微分方程是线性的，后者是指微分方程是非线性的。
泰勒公式在二阶两点边值问题求解方法上的应用
本科毕业设计常熟理工学院本科毕业设计(论文)诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计(论文)，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
本人签名：日期：常熟理工学院本科毕业设计(论文)使用授权说明本人完全了解常熟理工学院有关收集、保留和使用毕业设计(论文)的规定，即：本科生在校期间进行毕业设计(论文)工作的知识产权单位属常熟理工学院。
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保密的毕业设计(论文)在解密后遵守此规定。
本人签名：日期：导师签名：日期：泰勒公式在二阶两点边值问题求解方法上的应用摘要本文主要讨论利用泰勒展开公式求解二阶线性常微分方程问题. 首先介绍泰勒公式的相关知识；其次，基于泰勒展开公式，提出一种求解线性二阶线性常微分方程问题初值问题的新方法；然后，通过结合提出的求解线性二阶线性常微分方程问题初值问题的方法和打靶方法, 提出一种求解线性二阶线性常微分方程问题边值问题的数值方法；最后通过数值算例来验证所提数值方法的有效性.关键词：泰勒展开式二阶线性常微分方程两点边值问题近似解Taylor formula in the second order two-point boundary value problemsolving the application of the methodAbstractThis thesis mainly discusses numerical methods for solving second order linear ordinary differential equations by using Taylor's expansion formula. Firstly, some theory of Taylor's expansion formula is introduced. Secondly, a numerical method for solving second order linear initial value problems is proposed. Thirdly, a numerical method for solving second order linear two-point boundary value problems is developed by combining the method for initial value problems and shooting method. Finally, numerical examples are provided to show the validity of the present methods.Key Words: Taylor's expansion; Second order linear ordinary differential equations; Two–point boundary value problems; Approximate solution目录1. 引言 (1)1.1微分方程边值问题的介绍 (1)1.2 二阶两点边值问题的介绍 (2)2. 泰勒公式简介 (4)2.1泰勒公式简介 (4)2.2泰勒公式的应用 (5)3.二阶线性初值问题 (7)3.1求解方法 (7)3.2数值算例 (8)4.二阶线性两点边值问题的求解方法 (10)4.1求解方法 (10)4.2数值算例 (11)结语 (13)参考文献 (14)致谢 (15)1 引言1.1微分方程边值问题的介绍微分方程是现代数学中的一个很重要的分支，从早期的微积分时代起，这个学科就成为了理论研究和实践应用的一个重要领域。
第8章常微分方程边值问题的数值解法
第8章常微分方程边值问题的数值解法8.1 引言第7章介绍了求解常微分方程初值问题的常用的数值方法；本章将介绍常微分方程的边值问题的数值方法。
只含边界条件(boundary-value condition)作为定解条件的常微分方程求解问题称为常微分方程的边值问题(boundary-value problem). 为简明起见，我们以二阶边值问题为例介绍常用的数值方法。
一般的二阶常微分方程边值问题(boundary-value problems for second-order ordinary differential equations)为, (8.1.1)其边界条件为下列三种情况之一：(1) 第一类边界条件 (the first-type boundary conditions)：(2) 第二类边界条件 (the second-type boundary conditions)：(3) 第三类边界条件 (the third-type boundary conditions)：定理8.1.1 设(8.1.1)中的函数及其偏导数在上连续. 若(1) 对所有，有；(2) 存在常数，对所有，有,则边值问题(8.1.1)有唯一解。
推论若线性边值问题(8.1.2)满足(1)和上连续；(2) 在上,,则边值问题(8.1.1)有唯一解。
求边值问题的近似解，有三类基本方法：(1) 差分法(difference method)，也就是用差商代替微分方程及边界条件中的导数，最终化为代数方程求解；(2) 有限元法(finite element method)；(3) 把边值问题转化为初值问题，然后用求初值问题的方法求解。
8.2 差分法8.2.1 一类特殊类型二阶线性常微分方程的边值问题的差分法设二阶线性常微分方程的边值问题为其中在上连续，且用差分法解微分方程边值问题的过程是：(i) 把求解区间分成若干个等距或不等距的小区间，称之为单元；(ii) 构造逼近微分方程边值问题的差分格式. 构造差分格式的方法有差分法, 积分插值法及变分插值法；本节采用差分法构造差分格式；(iii) 讨论差分解存在的唯一性、收敛性及稳定性；最后求解差分方程.现在来建立相应于二阶线性常微分方程的边值问题(8.2.1), (8.2.2)的差分方程.( i ) 把区间等分，即得到区间的一个网格剖分：,其中分点，并称之为网格节点(grid nodes)；步长.( ii ) 将二阶常微分方程(8.2.2)在节点处离散化：在内部节点处用数值微分公式(8.2.3)代替方程(8.2.2)中，得, (8.2.4)其中.当充分小时，略去式(8.2.4)中的，便得到方程(8.2.1)的近似方程, (8.2.5)其中,分别是的近似值, 称式(8.2.5)为差分方程(difference equation)，而称为差分方程(8.2.5)逼近方程(8.2.2)的截断误差(truncation error). 边界条件(8.7.2)写成(8.2.6)于是方程(8.2.5), (8.2.6)合在一起就是关于个未知量，以及个方程式的线性方程组：(8.2.7)这个方程组就称为逼近边值问题(8.2.1), (8.2.2)的差分方程组(system of difference equations)或差分格式(difference scheme)，写成矩阵形式. (8.2.8)用第2章介绍的解三对角方程组的追赶法求解差分方程组(8.2.7)或(8.2.8), 其解称为边值问题(8.2.1), (8.2.2)的差分解(difference solution). 由于(8.2.5)是用二阶中心差商代替方程(8.2.1)中的二阶微商得到的，所以也称式(8.2.7)为中心差分格式(centered-difference scheme).( iii ) 讨论差分方程组(8.2.7)或(8.2.8)的解是否收敛到边值问题(8.2.1), (8.2.2)的解，估计误差.对于差分方程组(8.2.7)，我们自然关心它是否有唯一解；此外，当网格无限加密，或当时，差分解是否收敛到微分方程的解. 为此介绍下列极值原理：定理8.2.1 (极值原理) 设是给定的一组不全相等的数，设. (8.2.9)(1) 若, 则中非负的最大值只能是或；(2) 若, 则中非正的最小值只能是或.证只证(1)的情形，而(2)的情形可类似证明.用反证法. 记，假设, 且在中达到. 因为不全相等，所以总可以找到某个，使，而和中至少有一个是小于的. 此时因为，所以, 这与假设矛盾，故只能是或. 证毕！推论差分方程组(8.2.7)或(8.2.8)的解存在且唯一.证明只要证明齐次方程组(8.2.10)只有零解就可以了. 由定理8.7.1知，上述齐次方程组的解的非负的最大值和非正的最小值只能是或. 而，于是证毕！利用定理8.2.1还可以证明差分解的收敛性及误差估计. 这里只给出结果：定理8.2.2 设是差分方程组(8.2.7)的解，而是边值问题(8.2.1), (8.2.2)的解在上的值，其中. 则有(8.2.11)其中.显然当时，. 这表明当时，差分方程组(8.2.7)或(8.2.8)的解收敛到原边值问题(8.7.1), (8.7.2)的解.例8.2.1 取步长，用差分法解边值问题并将结果与精确解进行比较.解因为，, 由式(8.2.7)得差分格式,, 其结果列于表8.2.1.表8.2.1准确值0 1 0 01 0.1 －0. 0332923 －0.03336562 0.2 －0. 0649163 －0.06506043 0.3 －0. 0931369 －0.09334614 0.4 －0. 1160831 －0.11634825 0.5 －0. 1316725 －0.13197966 0.6 －0. 1375288 －0.13785787 0.7 －0. 1308863 －0.13120878 0.8 －0. 1084793 －0.10875539 0.9 －0. 0664114 －0.066586510 1.0 0 0从表8.2.1可以看出, 差分方法的计算结果的精度还是比较高的. 若要得到更精确的数值解，可用缩小步长的方法来实现.8.2.2 一般二阶线性常微分方程边值问题的差分法对一般的二阶微分方程边值问题(8.2.12)假定其解存在唯一.为求解的近似值，类似于前面的做法，( i ) 把区间等分，即得到区间的一个网格剖分：,其中分点，步长.( ii ) 对式(8.2.12)中的二阶导数仍用数值微分公式代替，而对一阶导数，为了保证略去的逼近误差为，则用3点数值微分公式；另外为了保证内插，在2个端点所用的3点数值微分公式与内网格点所用的公式不同，即(8.2.13)略去误差，并用的近似值代替，，便得到差分方程组(8.2.14)其中,是的近似值. 整理得(8.2.15)解差分方程组(8.2.15)，便得边值问题(8.2.12)的差分解.特别地, 若，则式(8.2.12)中的边界条件是第一类边值条件：此时方程组(7.7.16)为(8.2.16)方程组(8.2.16)是三对角方程组，用第2章介绍的解三对角方程组的追赶法求解差分方程组(8.2.16)，便得边值问题(8.2.12)的差分解.( iii ) 讨论差分方程组(8.2.16)的解是否收敛到微分方程的解，估计误差. 这里就不再详细介绍.例8.2.2 取步长，用差分法求下列边值问题的近似解，并将结果与精确解进行比较.精确解是.解因为，, 由式(8.2.17)得差分格式,, 其结果列于表8.2.2.表8.2.2准确值0 0 -0.3 -0.31 /16 -0.3137967 -0.31374462-0.3154982 -0.3154322 2/163-0.3050494 -0.3049979 3/1644-0.2828621 -0.2828427/1655-0.2497999 -0.2498180/1666-0.2071465 -0.2071930/167-0.1565577 -0.15660567/168 /2 -0.1000000 -0.10000008.3 有限元法有限元法(finite element method)是求解微分方程定解问题的有效方法之一，它特别适用在几何、物理上比较复杂的问题. 有限元法首先成功地应用于结构力学和固体力学，以后又应用于流体力学、物理学和其他工程科学. 为简明起见，本节以线性两点边值问题为例介绍有限元法.考虑线性两点边值问题其中,.此微分方程描述了长度为的可变交叉截面(表示为)的横梁在应力和下的偏差.8.3.1 等价性定理记, 引进积分. (8.3.3)任取，就有一个积分值与之对应，因此是一个泛函(functional)，即函数的函数. 因为这里是的二次函数，因此称为二次泛函.对泛函(8.3.3)有如下变分问题(variation problem)：求函数，使得对任意, 均有, (8.3.4) 即在处达到极小, 并称为变分问题(8.3.4)的解.可以证明：定理8.3.1(等价性定理)是边值问题(8.3.1), (8.3.2)的解的充分必要条件是使泛函在上达到极小，即是变分问题(8.3.4)在上的解.证 (充分性) 设是变分问题的解；即使泛函在上达到极小，证明必是边值问题(8.3.1), (8.3.2)的解.设是任意一个满足的函数，则函数，其中为参数. 因为使得达到极小，所以，即积分作为的函数，在处取极小值，故. (8.3.5)计算上式，得利用分部积分法计算积分代入式(8.3.6)，得因为是任意函数，所以必有. (8.3.8) 否则，若在上某点处有，不妨设，则由函数的连续性知，在包含的某一区间上有.作显然，且，但，这与式(8.3.7)矛盾. 于是式(8.3.8)成立，即变分问题(8.3.4)的解满足微分方程(8.3.1), 且故它是边值问题(8.3.1), (8.3.2)的解.。
常微分方程的几种数值解法
常微分方程的几种数值解法数学与应用数学肖振华指导教师张秀艳【摘要】自然界与工程技术中的很多现象，可以归结为微分方程定解问题。
其中，常微分方程求解是微分方程的重要基础内容。
但是，对于许多的微分方程，往往很难得到甚至不存在精确的解析表达式，这时候，数值解提供了一个很好的解决思路。
，针对于此，本文对常微分方程数值解法进行了简单研究，主要讨论了一些常用的数值解法，如欧拉法、改进的欧拉法、Runge—Kutta方法、Adams预估校正法以及勒让德谱方法等，通过具体的算例，结合MA TLAB求解画图，初步给出了一般常微分方程数值解法的求解过程。
同时，通过对各种方法的误差分析，让大家对各种方法的特点与适用范围有一个直观的感受。
【关键词】常微分方程数值解法MA TLAB 误差分析【Abstract】 Many phenomena in nature and engineering can be attributed to the definite solution of the problem for differential equations. Among them, the ordinary differential equation solving is an important foundation for the content of the differential equations. However, many of the differential equations are often difficult to obtain accurate analytical expression .At this time, the numerical solution provides a good idea. For the Numerical Solution of Ordinary Differential Equations in this article, we focuses on some commonly used numerical solution, such as the Euler method, improved Euler method, Runge-Kutta method, Adams predictor corrector method as well as newer spectral methods. Through specific examples, combined with MATLAB solving and drawing, we initially know the solution process of general numerical solution of ordinary differential equations . At the same time, according to the error analysis of various methods , everyone has an intuitive feel of the characteristics and scope of the various methods.【Keywords】Ordinary Differential Equations Numerical Solution MATLAB error analysis目录1 前言 (2)1.1 常微分方程概述 (2)1.2 常微分方程解与数值解法 (3)2 欧拉法与改进的欧拉法 (4)2.1 欧拉法 (4)2.2 改进的欧拉方法 (4)2.3 算例 (5)3龙格-库塔法 (12)3.1 龙格-库塔法与泰勒展开 (12)3.2 龙格-库塔法公式与ode函数 (13)3.3算例 (15)4 阿达姆斯预估校正法 (19)4.1 阿达姆斯（Adams）公式 (19)4.2 预估校正方法 (21)4.3算例 (22)5 勒让德谱方法 (26)5.1 谱方法介绍 (26)5.2勒让德多项式与谱方法 (27)5.3 算例 (28)参考文献 (37)1 前言1.1 常微分方程概述方程是一个在数学中非常熟悉的名词，在初等数学里，我们将我们要研究的问题作为一个或几个未知量，通过观察事物的规律，得出这些未知量与已知量之间的等式关系，这样就得到了一个简单的方程或方程组——当然，这只是一个很浅显粗略的定义。
二阶常微分方程解存在的问题
二阶常微分方程解的存在问题分析摘要本文首先介绍了二阶常系数齐次线性微分方程的一般解法——特征方程法及二阶常系数非齐次线性微分方程的待定系数法，然后又介绍了一些可降阶的微分方程类型。
接着，讨论了二阶变系数微分方程的幂级数解法并论述了如何利用变量代换法将某些变系数方程化为常系数方程。
另外，本文还介绍了求解初值问题的另一种方法——拉普拉斯变换法。
最后，给出了二阶微分方程的存在唯一性定理的证明以及它在科学研究、工程技术以及数学建模中解决实际问题的一些应用。
1.引言1.1常微分方程的发展过程与研究途径二阶线性微分方程是常微分方程中一类很重要的方程。
这不仅是因为其一般理论已经研究地比较清楚，而且还因为它是研究非线性微分方程的基础，在工程技术和自然科学中有着广泛的应用。
在科学研究、工程技术中，常常需要将某些实际问题转化为二阶常微分方程问题。
因此，研究不同类型的二阶常微分方程的求解方法及探讨其解的存在唯一性问题是十分重要的。
常微分方程已有悠久的历史，而且继续保持着进一步发展的活力，主要原因是它的根源深扎在各种实际问题之中。
牛顿最早采用数学方法研究二体问题，其中需要求解的运动方程就是常微分方程。
他把两个物体都理想化为质点，得到3个未知函数的3个二阶方程组，经简单计算证明，可化为平面问题，即两个未知函数的两个二阶微分方程组。
用现在叫做“首次积分”的办法，完全解决了它的求解问题。
17世纪就提出了弹性问题，这类问题导致悬链线方程、振动弦的方程等等。
20世纪30年代直至现在，是常微分方程各个领城迅速发展、形成各自相对独立的而又紧密联在一起的分支学科的时期。
1927－1945年间定性理论的研究主要是跟无线电技术联系在一起的。
第二次世界大战期间由于通讯等方面的要求越来越高，大大地激发了对无线电技术的研究，特别是非线性振动理论的研究得到了迅速的发展。
40年代后数学家们的注意力主要集中在抽象动力系统的拓扑特征, 如闭轨是否存在、结构是否稳定等, 对于二维系统已证明可以通过奇点及一些特殊的闭轨和集合来判断结构稳定性与否；而对于一般系统这个问题尚未解决。
二阶常微分方程的三点边值问题的正解
如果 y≥0 并且 0 ＜ β ＜ u（ t） ＜
t∈ ［η， 1 ］
}
（ 1 － β） t + βη 1 － αη － β（ 1 － η）
∫ （ 1 － s） y（ s） ds，
0
1
0， 1］ × C［ 0， 1］为 Banach 空间并 令 X = C［ 赋予范数为 v） ‖ = max｛ | u | ， | v| ｝ ， v） ∈ X ‖（ u ， （ u ， 其中 w = max w （ t） t∈ ［0 ， 1 ］ v） 是 ． v ） 是式 （ 1 ） ， 当（ u ， 式 （ 2 ） 的解当且仅当 （ u，
同理 | A2 v | =
∫
1 0
G（ t， s） b（ s） f（ u（ s） ） ds s） b（ s） ） ds ∫ G（ t，
0 1
≤L
v） ‖ = max ｛ | A1 v | ， | A2 u | ｝ 有界， 因此‖A（ u， A 有界． （ c） 从（ a ） 知道 A 对 （ u， v ） 连续， v） 对 t 而 （ u， ［ 0 ， 1 ］ ， A 在闭区间 上连续 所以 是等度连续映射． Ascoli 定理［ 5］得知 A 是全连续 根据 Arzela映射．
二阶常微分方程的三点边值问题的正解
李刚钊， 欧阳自根
（ 南华大学 数理学院， 湖南 衡阳 421微分方程的三点边值问题的正解 ， 通过将微分方程转化为 ， ， 等价的积分方程 利用锥不动点定理 获得了方程解的存在性的充分条件 ．
关键词： 正解； 三点边值问题； 锥不动点定理 中图分类号： O241. 81 文献标识码： A
0
1
0
+ ε） H1
1 － αη － β（ 1 － η） · 1 － β + βη
刚性问题与边值问题的数值解法
刚性方程组先考虑两个简单的初值问题。
问题1．⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛32)0()0(,)sin (cos 2sin 22112''v u x x x v u v u （8.1）问题2．⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛32)0()0(,)sin (cos 999sin 299999812''v u x x x v u v u (8.2)这两个问题有同样的解析解⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫⎝⎛x x x x v x u cos sin 11)exp(2)()( (8.3)采用4阶显式R-K 方法来计算上面两个问题，以相同的误差要求来自动选取步长，计算从0=x 到10=x 。
第一个问题可用相当大的步长，而第二个问题能使用的步长小到难于接受。
如果改用某种低阶隐式格式，那么这两个问题均可用较大步长，计算出大致符合要求的解来。
上述显示出来的现象称为刚性；问题2是刚性的，问题1是非刚性的。
由于这两个问题的解是相同的，因此这种现象不是问题解的作用而是方程组的一种特性所引起的。
基于这个事实，较为正确的应称刚性方程组而不是刚性问题。
这个想法也给我们一种启示，可不考虑满足初值条件的特解而着重讨论方程组的通解。
对于问题1，方程组的系数矩阵的特征值为-1和-3，其通解为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛x x x x x v x u cos sin 11)3exp(11)exp()()(21αα (8.4)其中21,αα为任意常数。
对于问题2，方程组的系数矩阵的特征值为-1和-1000，其通解为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛x x x x x v x u cos sin 9981)1000exp(11)exp()()(21ββ (8.5)其中21,ββ为任意常数。
平面二阶偏微分方程组的边值问题
平面二阶偏微分方程组的边值问题
平面二阶偏微分方程组是将二阶变分操作应用到平面区域上的一种重要方法，其又称为非线性偏微分方程系统或二阶偏微分方程组。
这种方程组常常被用来求解弹性理论、热传导、流体动力学等众多物理现象中的重要问题，这些现象处于不同的变量域。
对平面二阶偏微分方程组的边界值问题提出的要求是提供一组独立的条件，用于定义边界上的解，即在边界上解的某个变量的值必须可以从边界上的这组条件中确定，而这组条件又是由解的一些给定特性定义的。
其中，一种常见的边界条件是“自由边界”，在这种情况下，在边界上得到的解值必须满足解在边界点处满足一定标准，如解必须是一个恒定的特定值，这也就确定了边界条件。
另一种常见的边界条件是“内禀边界”，这种边界条件要求解的某个变量只有在某个内禀函数下才能被确定，故边界条件也可以称为内禀函数条件。
在这种情况下，边界上具体的解值可以根据所计算出来的内禀函数来计算，然后可以得到特定的边界条件，而这些边界条件也是独立的，可以用于求解整个问题。
总之，平面二阶偏微分方程组的边界值问题可以抽象地认为是将某个物理场的动力学特性定义在边界上的一种重要的分析方法，它是从二阶变分的角度来理解平面问题的解的一种重要框架，是解决物理量在多变量域中的多维动力学问题中的常用方法。
第六章常微分方程的数值解法
第六章常微分方程的数值解法第六章常微分方程的数值解法在自然科学研究和工程技术领域中，常常会遇到常微分方程的求解问题。
传统的数学分析方法仅能给出一些简单的、常系数的、经典的线性方程的解析表达式，不能处理复杂的、变系数的、非线性方程，对于这些方面的问题，只能求诸于近似解法和数值解法。
而且在许多实际问题中，确确实实并不总是需要精确的解析解，往往只需获得近似的解或者解在若干个点上的数值即可。
在高等数学课程中介绍过的级数解法和逐步逼近法，能够给出解的近似表达式，这一类方法称为近似解法。
还有一类方法是通过计算机来求解微分方程的数值解，给出解在一些离散点上的近似值，这一类方法称作为数值方法。
本章主要介绍常微分方程初值问题的数值解法，包括Euler 方法、Runge-Kutta 方法、线性多步法以及微分方程组与高阶微分方程的数值解法。
同时，对于求解常微分方程的边值问题中比较常用的打靶法与有限差分法作了一个简单的介绍。
§1 基本概念1.1 常微分方程初值问题的一般提法常微分方程初值问题的一般提法是求解满足如下条件的函数，，b x a x y ≤≤)(=<<=α)(),(a y bx a y x f dxdy， (1.1) 其中),(y x f 是已知函数，α是给定的数值。
通常假定上面所给出的函数),(y x f 在给定的区域},),{(+∞<≤≤=yb x a y x D 上面满足如下条件：(1) 函数),(y x f 在区域D 上面连续；(2) 函数),(y x f 在区域D 上关于变量y 满足Lipschitz(李普希茨)条件：212121,),(),(y y b x a y y L y x f y x f ?≤≤?≤?，， (1.2)其中常数L 称为Lipschitz(李普希茨)常数。
由常微分方程的基本理论可以知道，假如(1.1)中的),(y x f 满足上面两个条件，则常微分方程初值问题(1.1)对于任意给定的初始值α都存在着唯一的解，，b x a x y ≤≤)(并且该唯一解在区间[a,b]上是连续可微的。
二阶常微分方程边值问题的数值解法
摘要本文主要研究二阶常微分方程边值问题的数值解法。
对线性边值问题，我们总结了两类常用的数值方法，即打靶法和有限差分方法，对每种方法都列出了详细的计算步骤和Matlab程序代码，通过具体的算例对这两类方法的优缺点进行了细致的比较。
关键字：常微分方程边值问题；打靶法；差分法；ABSTRACTThis article mainly discusses the numerical methods for solving Second-Order boundary value problems for Ordinary Differential Equations. On the one hand, we review two types of commonly used numerical methods for linear boundary value problems, i.e. shooting method and finite difference method. For each method, we give both the exact calculating steps , we compare the advantages and disadvantages in detail of these two methods through a specific numerical example.Key words：Boundary-Value Problems for Ordinary Differential Equations；Shooting Method；Finite Difference Method；目录第一章引言................................................................................................................... - 1 -第二章二阶线性常微分方程.................................................................................. - 2 -2.1试射法（“打靶”法） ............................................................................................ - 3 -2.1.1简单的试射法............................................................................................ - 3 -2.1.2 基于叠加原理的试射法........................................................................... - 4 -2.2 有限差分法......................................................................................................... - 10 -2.2.1 有限差分逼近的相关概念...................................................................... - 11 -2.2.2 有限差分方程的建立............................................................................. - 13 -2.2.3 其他边值条件的有限差分方程............................................................. - 14 -2.2.4 有限差分方程的解法............................................................................. - 16 -第三章二阶非线性微分方程........................................................ 错误!未定义书签。
数学物理方法_第3章 二阶线性常微分方程的幂级数解法本征值问题
y ( x) 2 1a2 3 2a3 x (k 2)( k 1)ak 2 x k
把以上结果代入方程，比较系 数得 2 2
2 1a2 a0 0, 3 2a3 a1 0, 4 3a4 2 a2 0, 5 4a5 2 a3 0,
(2k 1)!
a1.
于是方程的级数解为
1 1 1 y( x) a0 1 ( x)2 ( x) 4 (1) k ( x) 2 k 4! (2k )! 2! 2 k 1 a1 1 1 3 5 k ( x) x ( x) ( x) (1) 3! 5! (2k 1)! a a0 cos x 1 sin x.
n 1
n 1
cn1 (n 1)( x x0 )n ,
n 0
可将式（3.1.4）写成
c
n 0 n n
n ( n 2)( n 1)( x x ) [ ( k 1) a c ]( x x ) n2 0 n k k 1 0 n n 0 k 0
y( x) an x n
n 0
(3.3.2)
于是
y( x) nan x
n 1 n 1
(k 1)ak 1 x k ,
k 0
y( x) n(n 1)an x
n2
2 k 0
n2
(k 2)(k 1)ak 2 x k ,
(1 l )(l 2) 3 (3 l )(1 l )(l 2)(l 4) 5 y1 ( x) x x x 3! 5! (2k 1 l )(2k 3 l ) (1 l )(l 2)(l 4) (l 2k ) 2k 1 x (2k 1)!
二阶常微分方程的解法及其应用.
目录1 引言 (1)2 二阶常系数常微分方程的几种解法 (1)2.1 特征方程法 (1)2.1.1 特征根是两个实根的情形 (2)2.1.2 特征根有重根的情形 (2)2.2 常数变异法 (4)2.3 拉普拉斯变化法 (5)3 常微分方程的简单应用 (6)3.1 特征方程法 (7)3.2 常数变异法 (9)3.3 拉普拉斯变化法 (10)4 总结及意义 (11)参考文献 (12)二阶常微分方程的解法及其应用摘要：本文通过对特征方程法、常数变易法、拉普拉斯变换法这三种二阶常系数常微分方程解法进行介绍，特别是其中的特征方程法分为特征根是两个实根的情形和特征根有重根的情形这两种情况，分别使用特征值法、常数变异法以及拉普拉斯变换法来求动力学方程，现今对于二阶常微分方程解法的研究已经取得了不少成就，尤其在二阶常系数线性微分方程的求解问题方面卓有成效。
应用常微分方程理论已经取得了很大的成就，但是，它的现有理论也还远远不能满足需要，还有待于进一步的发展，使这门学科的理论更加完善。
关键词：二阶常微分方程;特征分析法；常数变异法；拉普拉斯变换METHODS FOR TWO ORDER ORDINARY DIFFERENTIALEQUATION AND ITS APPLICATIONAbstract:This paper introduces the solution of the characteristic equation method, the method of variation of parameters, the Laplasse transform method the three kind of two order ordinary differential equations with constant coefficients, especially the characteristic equation method which is characteristic of the root is the two of two real roots and characteristics of root root, branch and don't use eigenvalue method, method of variation of constants and Laplasse transform method to obtain the dynamic equation, the current studies on solution of ordinary differential equations of order two has made many achievements, especially in the aspect of solving the problem of two order linear differential equation with constant coefficients very fruitful. Application of the theory of ordinary differential equations has made great achievements, however, the existing theory it is still far from meeting the need, needs further development, to make the discipline theory more perfect.Keywords:second ord er ordinary differential equation; Characteristic analysis; constant variation method; Laplasse transform1 引言数学发展的历史告诉我们，300年来数学分析是数学的首要分支，而微分方程又是数学分析的心脏，它还是数学分析里大部分思想和理论的根源。
二阶线性常微分方程的两点边值问题的新解法
摘 要 ：基 于 变 分 原 理 ，将 二 阶线 性 常 微 分 方 程 的 两 点 边值 问题 转 化 为 等 价 的变 分 问 题 （ 即泛 函 极 值 问 题 ） ，利 用 两 点 三次 Ｈｅｍｉ 插 值 构 造一 个 逼 近可 行 函数 的 近 似 函 数 ，从 而将 问 题 转 化 为一 个 多 元 单 目标 优 化 问 题 ，最后 运 用 ｒ ｔ ｅ
第３ ５卷 第 ４期
Ｖｏ ．３ １ ５
ＮＯ ４．
西 南 师 范 大 学 学 报 （ 自然科 学版 ）
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ ｏ ｔｗｅ ｔ ｈｎ ｒ ｌＵｎｖｒｉ Ｎａｕ ａ Ｓ ｉｎ ｅＥ ｉｏ ） ｏ ｒ ａ ｏ ｕｈ ｓ Ｃ ｉａＮｏｍａ ｉｅｓ ｙ（ ｔｒｌ ｃｅ ｃ ｄｔ ｎ Ｓ ｔ ｉ
单 目标 优化 问题 ，最后运 用粒 子群优 化算 法来求解 该优 化 问题 ．
１ 两点 边 值 问题 等 价 的 变 分 问题
考 虑二 阶线性 常微分方 程 的两点边 值 问题 ：
＋ ｐ（ ｙ ＋ ｑ ｘ ｙ— ｆ ｚ） ｘ） ； （） （、
ｌ ａ （ ）一 Ｙ ， （ ）一 ６ 。 ６ 对于微 分方程 ＋ ｐ ｘ ｙ ＋ ｑｘ） （ ） （ ｙ一 － ） 厂 ，以待 定 因子 （ 乘 等式两 边得 ： （ ）
二 阶线 性 常微 分方 程的 两点边值 问题转 化为 自共轭 的 常微 分 方程的 两点边值 问题 ：
ｆ Ｐ（ ） ） （ １ ＋ Ｑ（ — Ｆ（ ｚ ｚ） ）
１ ）一 Ｙ Ｊ ｎ （
，
（ ） 一 Ｙ ６ ６
收 稿 日期 ：２ ０ ０ ９—０ —１ ５ １
作 者 简 介 ：马
一
ｅｐ ） ，以此 式乘 以 ＋ｐ（ ） ｑ ｘ ｙ一 厂 ． 两 端有 Ｊ（ｄ ｘｚ ｘｙ ＋ （ ） （） ｚ
数理方程第二章 关于二阶常微分方程本征值问题的一些结论-6
( m n )
对应于不同特征值的特征函数在a,b上带权函数(x)互相正交。
（4 ） 本征函数系 yn ( x) , n 1,2,, n, , 在
a , b 上构成完备系。 Nhomakorabea即：对于一个任意函数f(x) ，在区间 [a,b]上，只要满足具有一 阶连续导数、二阶分段连续导数；同时满足斯特姆-刘维尔型 方程的边界条件，那么一定可以将f(x)按本征函数系展成绝对 b 且一致收敛的级数。 ( x) f ( x) y ( x) d x
则无论方程是齐次还是非齐次，必须首先作函数的代换，使其转化为
齐次边界条件问题，方可进行求解。
三、非齐次方程、非齐次边界条件的定解问题（无论初始条件如何），一定
要将其转化为：非齐次方程+齐次边界条件来处理。
深圳大学电子科学与技术学院
分离变量法的军事策略 ：
— —分兵合围，各个击破
分离变量法的哲学思想 ：
2
到此为止，所求解的各种问题只牵涉具有边界的空间。但 这并不意味分分离变量法就不可以应用于无界空间。事实上， 稍加推广还是可以应用的。所说的推广，指的是间断的本征值 为连续本征值所取代，线性叠加为积分所取代。
深圳大学电子科学与技术学院
实施分离变量法应该注意的几个问题：
一、根据边界条件的形状，选取适当的坐标系。选取的原则是：使对应 的坐标系，边界条件的表达式最为简单。如 圆、圆环、扇形区域→极坐标系； 圆柱形区域→柱坐标系； 球形区域→球坐标系。 二、若边界条件是非齐次的，又没有其它可利用的条件来确定特征函数，
关于二阶常微分方程本征值问题的一些结论参考了孙秀泉教授的课件深圳大学电子科学与技术学院26关于二阶常微分方程本征值问题的一些结论常微分方程在齐次边界条件下的本征值以及本征函数1有界弦的自由振动3圆形域内laplace方程的定解问题sincos分离变量法的实质将时间变量视为参变量