常微分方程数值解法欧拉法
微分方程的数值解法
微分方程的数值解法微分方程是自然科学和现代技术领域中一种最基本的数学描述工具，它可以描述物理世界中的各种现象。
微分方程的解析解往往很难求出，因此数值解法成为解决微分方程问题的主要手段之一。
本文将介绍几种常见的微分方程的数值解法。
一、欧拉法欧拉法是微分方程初值问题的最简单的数值方法之一，它是由欧拉提出的。
考虑一阶常微分方程：$y'=f(t,y),y(t_0)=y_0$其中，$f(t,y)$表示$y$对$t$的导数，则$y(t_{i+1})=y(t_i)+hf(t_i,y_i)$其中，$h$为步长，$t_i=t_0+ih$，$y_i$是$y(t_i)$的近似值。
欧拉法的精度较低，误差随着步长的增加而增大，因此不适用于求解精度要求较高的问题。
二、改进欧拉法改进欧拉法又称为Heun方法，它是由Heun提出的。
改进欧拉法是在欧拉法的基础上进行的改进，它在每个步长内提高求解精度。
改进欧拉法的步骤如下：1. 根据当前$t_i$和$y_i$估算$y_{i+1}$:$y^*=y_i+hf(t_i,y_i),t^*=t_i+h$2. 利用$y^*$和$t^*$估算$f(t^*,y^*)$:$f^*=f(t^*,y^*)$3. 利用$y_i$、$f(t_i,y_i)$和$f^*$估算$y_{i+1}$:$y_{i+1}=y_i+\frac{h}{2}(f(t_i,y_i)+f^*)$改进欧拉法具有比欧拉法更高的精度，但是相较于其他更高精度的数值方法，它的精度仍然较低。
三、龙格-库塔法龙格-库塔法是一种广泛使用的高精度数值方法，它不仅能够求解一阶和二阶常微分方程，还能够求解高阶常微分方程和偏微分方程。
其中，经典的四阶龙格-库塔法是最常用的数值方法之一。
四阶龙格-库塔法的步骤如下：1. 根据当前$t_i$和$y_i$估算$k_1$:$k_1=f(t_i,y_i)$2. 根据$k_1$和$y_i$估算$k_2$:$k_2=f(t_i+\frac{h}{2},y_i+\frac{h}{2}k_1)$3. 根据$k_2$和$y_i$估算$k_3$:$k_3=f(t_i+\frac{h}{2},y_i+\frac{h}{2}k_2)$4. 根据$k_3$和$y_i$估算$k_4$:$k_4=f(t_i+h,y_i+hk_3)$5. 根据$k_1$、$k_2$、$k_3$和$k_4$计算$y_{i+1}$:$y_{i+1}=y_i+\frac{h}{6}(k_1+2k_2+2k_3+k_4)$龙格-库塔法的精度较高，在求解一些对精度要求较高的问题时，龙格-库塔法是一个比较好的选择。
求常微分方程的数值解
求常微分方程的数值解一、背景介绍常微分方程（Ordinary Differential Equation，ODE）是描述自然界中变化的数学模型。
常微分方程的解析解往往难以求得，因此需要寻找数值解来近似地描述其行为。
求解常微分方程的数值方法主要有欧拉法、改进欧拉法、龙格-库塔法等。
二、数值方法1. 欧拉法欧拉法是最简单的求解常微分方程的数值方法之一。
它基于导数的定义，将微分方程转化为差分方程，通过迭代计算得到近似解。
欧拉法的公式如下：$$y_{n+1}=y_n+f(t_n,y_n)\Delta t$$其中，$y_n$表示第$n$个时间步长处的函数值，$f(t_n,y_n)$表示在$(t_n,y_n)$处的导数，$\Delta t$表示时间步长。
欧拉法具有易于实现和理解的优点，但精度较低。
2. 改进欧拉法（Heun方法）改进欧拉法又称Heun方法或两步龙格-库塔方法，是对欧拉法进行了精度上提升后得到的一种方法。
它利用两个斜率来近似函数值，并通过加权平均来计算下一个时间步长处的函数值。
改进欧拉法的公式如下：$$k_1=f(t_n,y_n)$$$$k_2=f(t_n+\Delta t,y_n+k_1\Delta t)$$$$y_{n+1}=y_n+\frac{1}{2}(k_1+k_2)\Delta t$$改进欧拉法比欧拉法精度更高，但计算量也更大。
3. 龙格-库塔法（RK4方法）龙格-库塔法是求解常微分方程中最常用的数值方法之一。
它通过计算多个斜率来近似函数值，并通过加权平均来计算下一个时间步长处的函数值。
RK4方法是龙格-库塔法中最常用的一种方法，其公式如下：$$k_1=f(t_n,y_n)$$$$k_2=f(t_n+\frac{\Delta t}{2},y_n+\frac{k_1\Delta t}{2})$$ $$k_3=f(t_n+\frac{\Delta t}{2},y_n+\frac{k_2\Delta t}{2})$$ $$k_4=f(t_n+\Delta t,y_n+k_3\Delta t)$$$$y_{n+1}=y_n+\frac{1}{6}(k_1+2k_2+2k_3+k_4)\Delta t$$三、数值求解步骤对于给定的常微分方程，可以通过以下步骤求解其数值解：1. 确定初值条件：确定$t=0$时刻的函数值$y(0)$。
matlab_常微分方程数值解法
dt 2
简朴问题可以求得解析解，多数实际问题靠数值求解 。
第4页
一阶常微分方程(ODE )初值问题 ： ODE ：Ordinary Differential Equation
dy
f
(x,
y)
dx
x0 x xn
y(x0 ) y0
数值解法就是求y(x)在某些分立旳节点 xn 上旳近似值 yn，用以近似y(xn)
x0
y0
x1 f y(x), x dx
x0
x2 f y(x), x dx
x1
y(x1) f y(x1), x1 h
第17页
同样，在[x0,xn+1] ，积分采用矩形近似，得：
y(xn1) y0
f xn1
x0
y(x), x dx
y(xn ) f y(xn ), xn h
yn y(xn )
第5页
2、欧拉近似办法
2.1 简朴欧拉(L.Euler, 1707-1783)办法。
dy
dx
f
(y, x)
y(x0 ) y0
欧拉数值算法就是由初值通过递推求解，递推求解
就是从初值开始，后一种函数值由前一种函数值得到。核 心是构造递推公式。
y0 y1 y2 yn
第6页
i 1,2,...
第36页
没有一种算法可以有效地解决所有旳 ODE 问题，因此 MATLAB 提供了多种ODE函数。
函数 ODE类
特点
阐明
型
ode45
非刚性 单步法；4，5 阶 R-K 措施；合计 大部分场合旳首选措施
截断误差为 (△x)3
ode23
非刚性 单步法；2，3 阶 R-K 措施；合计 使用于精度较低旳情形
MATLAB常微分方程数值解——欧拉法、改进的欧拉法与四阶龙格库塔方法
MATLAB常微分⽅程数值解——欧拉法、改进的欧拉法与四阶龙格库塔⽅法MATLAB常微分⽅程数值解作者：凯鲁嘎吉 - 博客园1.⼀阶常微分⽅程初值问题2.欧拉法3.改进的欧拉法4.四阶龙格库塔⽅法5.例题⽤欧拉法，改进的欧拉法及4阶经典Runge-Kutta⽅法在不同步长下计算初值问题。
步长分别为0.2,0.4,1.0.matlab程序：function z=f(x,y)z=-y*(1+x*y);function R_K(h)%欧拉法y=1;fprintf('欧拉法：x=%f, y=%f\n',0,1);for i=1:1/hx=(i-1)*h;K=f(x,y);y=y+h*K;fprintf('欧拉法：x=%f, y=%f\n',x+h,y);endfprintf('\n');%改进的欧拉法y=1;fprintf('改进的欧拉法：x=%f, y=%f\n',0,1);for i=1:1/hx=(i-1)*h;K1=f(x,y);K2=f(x+h,y+h*K1);y=y+(h/2)*(K1+K2);fprintf('改进的欧拉法：x=%f, y=%f\n',x+h,y);endfprintf('\n');%龙格库塔⽅法y=1;fprintf('龙格库塔法：x=%f, y=%f\n',0,1);for i=1:1/hx=(i-1)*h;K1=f(x,y);K2=f(x+h/2,y+(h/2)*K1);K3=f(x+h/2,y+(h/2)*K2);K4=f(x+h,y+h*K3);y=y+(h/6)*(K1+2*K2+2*K3+K4);fprintf('龙格库塔法：x=%f, y=%f\n',x+h,y);end结果：>> R_K(0.2)欧拉法：x=0.000000, y=1.000000欧拉法：x=0.200000, y=0.800000欧拉法：x=0.400000, y=0.614400欧拉法：x=0.600000, y=0.461321欧拉法：x=0.800000, y=0.343519欧拉法：x=1.000000, y=0.255934改进的欧拉法：x=0.000000, y=1.000000改进的欧拉法：x=0.200000, y=0.807200改进的欧拉法：x=0.400000, y=0.636118改进的欧拉法：x=0.600000, y=0.495044改进的欧拉法：x=0.800000, y=0.383419改进的欧拉法：x=1.000000, y=0.296974龙格库塔法：x=0.000000, y=1.000000龙格库塔法：x=0.200000, y=0.804636龙格库塔法：x=0.400000, y=0.631465龙格库塔法：x=0.600000, y=0.489198龙格库塔法：x=0.800000, y=0.377225龙格库塔法：x=1.000000, y=0.291009>> R_K(0.4)欧拉法：x=0.000000, y=1.000000欧拉法：x=0.400000, y=0.600000欧拉法：x=0.800000, y=0.302400改进的欧拉法：x=0.000000, y=1.000000改进的欧拉法：x=0.400000, y=0.651200改进的欧拉法：x=0.800000, y=0.405782龙格库塔法：x=0.000000, y=1.000000龙格库塔法：x=0.400000, y=0.631625龙格库塔法：x=0.800000, y=0.377556>> R_K(1)欧拉法：x=0.000000, y=1.000000欧拉法：x=1.000000, y=0.000000改进的欧拉法：x=0.000000, y=1.000000改进的欧拉法：x=1.000000, y=0.500000龙格库塔法：x=0.000000, y=1.000000龙格库塔法：x=1.000000, y=0.303395注意：在步长h为0.4时，要将for i=1:1/h改为for i=1:0.8/h。
数值计算中的常微分方程数值模拟
数值计算中的常微分方程数值模拟在数值计算中，常微分方程（Ordinary Differential Equations，简称ODE）是一个重要的研究对象。
常微分方程的数值模拟是通过数值方法对其进行近似求解的过程，该过程对于模拟物理系统、生物学过程以及工程问题等具有重要意义。
本文将介绍常微分方程数值模拟的几种常用方法，并分析其特点与应用。
一、欧拉法（Euler's Method）欧拉法是最简单的常微分方程数值模拟方法之一，其基本思想是将连续的微分方程进行离散化，使用一阶差分近似代替微分。
具体步骤如下：1. 建立微分方程：设待求解的微分方程为dy/dx = f(x, y)，其中f(x, y)为已知函数。
2. 初始化：选择初始条件y0 = y(x0)，以及离散步长h。
3. 迭代求解：根据欧拉法的迭代公式yn+1 = yn + h * f(xn, yn)进行近似求解。
欧拉法的优点是简单易实现，但在处理复杂问题和大步长时存在精度较低的问题。
二、改进的欧拉法（Improved Euler's Method）为了提高欧拉法的精度，改进的欧拉法在迭代过程中使用两个不同的斜率近似值，从而对解进行更准确的预测并修正。
具体步骤如下：1. 建立微分方程：同欧拉法。
2. 初始化：同欧拉法。
3. 迭代求解：根据改进的欧拉法的迭代公式yn+1 = yn + h * (k1 +k2)/2进行近似求解，其中k1 = f(xn, yn)，k2 = f(xn + h, yn + h * k1)。
改进的欧拉法在精度上优于欧拉法，但仍然不适用于高精度要求的问题。
三、龙格-库塔法（Runge-Kutta Methods）龙格-库塔法是一类常微分方程数值模拟方法，通过计算多个不同次数的斜率来逼近解。
其中，四阶龙格-库塔方法是最常用的一种方法。
具体步骤如下：1. 建立微分方程：同欧拉法。
2. 初始化：同欧拉法。
3. 迭代求解：根据四阶龙格-库塔方法的迭代公式yn+1 = yn + h * (k1 + 2k2 + 2k3 + k4)/6进行近似求解，其中k1 = f(xn, yn)，k2 = f(xn + h/2, yn + h/2 * k1)，k3 = f(xn + h/2, yn + h/2 * k2)，k4 = f(xn + h, yn + h * k3)。
常微分方程的数值解法(欧拉法、改进欧拉法、泰勒方法和龙格库塔法)
［例1］用欧拉方法与改进的欧拉方法求初值问题h 的数值解。
在区间[0,1]上取0.1［解］欧拉方法的计算公式为x0=0;y0=1;x(1)=0.1;y(1)=y0+0.1*2*x0/(3*y0^2);for n=1:9x(n+1)=0.1*(n+1);y(n+1)=y(n)+0.1*2*x(n)/(3*y(n)^2);end;xy结果为x =Columns 1 through 80.1000 0.2000 0.3000 0.4000 0.5000 0.6000 0.7000 0.8000 Columns 9 through 100.9000 1.0000y =Columns 1 through 81.0000 1.0067 1.0198 1.0391 1.0638 1.0932 1.1267 1.1634 Columns 9 through 101.2028 1.2443改进的欧拉方法其计算公式为本题的精确解为()y x=x0=0;y0=1;ya(1)=y0+0.1*2*x0/(3*y0^2);y(1)=y0+0.05*(2*x0/(3*y0^2)+2*x0/(3*ya^2));for n=1:9x(n+1)=0.1*(n+1);ya(n+1)=ya(n)+0.1*2*x(n)/(3*ya(n)^2);y(n+1)=y(n)+0.05*(2*x(n)/(3*y(n)^2)+2*x(n+1)/(3*ya(n+1)^2));end;xy结果为x =Columns 1 through 80.1000 0.2000 0.3000 0.4000 0.5000 0.6000 0.7000 0.8000 Columns 9 through 100.9000 1.0000y =Columns 1 through 81.0000 1.0099 1.0261 1.0479 1.0748 1.1059 1.1407 1.1783 Columns 9 through 101.2183 1.2600［例2］用泰勒方法解x＝0.1, 0.2, …, 1.0处的数值解，并与精确解进行比较。
常微分方程的数值解法与实际应用研究
常微分方程的数值解法与实际应用研究引言：常微分方程是数学中一种重要的数学工具，广泛应用于物理、经济、生物等领域的实际问题的数学建模。
在解析求解常微分方程存在困难或不可行的情况下，数值解法提供了一种有效的求解方法，并被广泛应用于实际问题的研究中。
本文将介绍常微分方程的数值解法以及一些实际应用的研究案例。
一、常微分方程的数值解法：1. 欧拉法：欧拉法是一种基础的数值解法，通过将微分方程离散化，近似得到方程的数值解。
欧拉法的基本思想是根据微分方程的导数信息进行近似计算，通过逐步迭代来逼近真实解。
但是欧拉法存在截断误差较大、收敛性较慢等问题。
2. 改进的欧拉法（改进欧拉法推导过程略）：为了解决欧拉法的问题，改进的欧拉法引入了更多的导数信息，改善了截断误差，并提高了算法的收敛速度。
改进欧拉法是一种相对简单而可靠的数值解法。
3. 四阶龙格-库塔法：四阶龙格-库塔法是常微分方程数值解法中最常用和最经典的一种方法。
通过多次迭代，四阶龙格-库塔法可以获得非常精确的数值解，具有较高的精度和稳定性。
二、常微分方程数值解法的实际应用研究：1. 建筑物的结构动力学分析：建筑物的结构动力学分析需要求解一些动力学常微分方程，例如考虑结构的振动和应力响应。
利用数值解法可以更好地模拟建筑物的振动情况，并对其结构进行安全性评估。
2. 生态系统模型分析：生态系统模型通常包含一系列描述物种数量和相互作用的微分方程。
数值解法可以提供对生态系统不同时间点上物种数量和相互作用的变化情况的模拟和预测。
这对于环境保护、物种保护以及生态系统可持续发展方面具有重要意义。
3. 电路模拟与分析：电路模拟与分析通常涉及电路中的电容、电感和电阻等元件，这些元件可以通过常微分方程进行建模。
数值解法可以提供电路中电压、电流等关键参数的模拟和分析，对电路设计和故障诊断具有重要帮助。
4. 化学反应动力学研究：化学反应动力学研究需要求解涉及反应速率、物质浓度等的微分方程。
常微分方程组数值解法
常微分方程组数值解法一、引言常微分方程组是数学中的一个重要分支，它在物理、工程、生物等领域都有广泛应用。
对于一些复杂的常微分方程组，往往难以通过解析方法求解，这时候数值解法就显得尤为重要。
本文将介绍常微分方程组数值解法的相关内容。
二、数值解法的基本思想1.欧拉法欧拉法是最基础的数值解法之一，它的思想是将时间连续化，将微分方程转化为差分方程。
对于一个一阶常微分方程y'=f(x,y)，其欧拉公式为：y_{n+1}=y_n+hf(x_n,y_n)其中h为步长，x_n和y_n为第n个时间点上x和y的取值。
2.改进欧拉法改进欧拉法是对欧拉法的改良，其公式如下：y_{n+1}=y_n+\frac{h}{2}[f(x_n,y_n)+f(x_{n+1},y_n+hf(x_n,y_n))] 3.四阶龙格-库塔方法四阶龙格-库塔方法是目前最常用的数值解法之一。
其公式如下：k_1=f(x_n,y_n)k_2=f(x_n+\frac{h}{2},y_n+\frac{h}{2}k_1)k_3=f(x_n+\frac{h}{2},y_n+\frac{h}{2}k_2)k_4=f(x_n+h,y_n+hk_3)y_{n+1}=y_n+\frac{h}{6}(k_1+2k_2+2k_3+k_4)其中，k_i为中间变量。
三、常微分方程组的数值解法1.欧拉法对于一个二阶常微分方程组：\begin{cases} y'_1=f_1(x,y_1,y_2) \\ y'_2=f_2(x,y_1,y_2)\end{cases}其欧拉公式为：\begin{cases} y_{n+1,1}=y_{n,1}+hf_1(x_n,y_{n,1},y_{n,2}) \\y_{n+1,2}=y_{n,2}+hf_2(x_n,y_{n,1},y_{n,2}) \end{cases}其中，x_n和y_{n,i}(i=1, 2)为第n个时间点上x和y_i的取值。
常微分方程与数值解法
常微分方程与数值解法数学是自然界中最美丽的语言之一，常微分方程是数学中的一个重要分支。
常微分方程是研究随着时间推移而发生的连续变化的数学模型，是许多科学领域的数学基础，如物理学、天文学、生物学、化学、经济学等。
通过对微分方程的求解，我们可以预测未来的变化和趋势，制定相应的政策措施和科学研究方向。
一、常微分方程的基本概念常微分方程是包含未知函数及其导数的方程。
一般形式为dy/dx=f(x,y)，其中y为未知函数，x为自变量，f(x,y)是已知函数，称为方程的右端函数。
常微分方程可以分为初值问题和边值问题。
初值问题是指求解微分方程时需要给出一个特定的初值y(x)=y0，边值问题是指给出方程在一些点的值，而求出未知函数在整个区间上的值。
二、常微分方程的解法常微分方程有许多解法，例如分离变量法、齐次方程、全微分方程、一阶线性方程、变量分离法等。
其中，变量分离法是最基本和最重要的方法之一。
变量分离法的基本思想是将微分方程的未知函数y和自变量x分开，变成dy/g(y)=f(x)dx的形式，然后对两边进行积分。
三、数值解法的发展与应用数值解法是通过数值计算来求解微分方程的，它主要包括欧拉法、改进欧拉法、龙格-库塔法等。
欧拉法最简单、最基本，但精度较低，适用于解决一些简单的微分方程。
改进欧拉法和龙格-库塔法则精度更高，适用于解决较为复杂的微分方程。
数值解法在科学技术中的应用广泛，如气象学、环境保护、物理学、化学等。
以生态学为例，许多生态系统的动态变化可以用微分方程描述，如种群增长、捕食捕获、竞争关系等。
数值解法可以在一定程度上预测未来的生态状态，有助于制定相应的生态保护措施。
四、结论在现代科学技术中，微分方程和数值解法已经成为不可或缺的工具之一。
通过微分方程的求解，可以预测未来的变化和趋势，制定相应的政策措施和科学研究方向。
数值解法则更加精细和灵活，能够解决更为复杂的微分方程，广泛应用于各个领域。
因此，学习微分方程和数值解法，不仅是数学爱好者的追求，更是科学技术工作者不可或缺的技能。
欧拉公式求解常微分方程数值解培训教材
例：用欧拉法解初值问题
y=yxy2(0x0.6)
y(0)=1
取步长 h = 0.2.计算过程保留4位小数.
解：f(x,y)=－y－xy2 ， h = 0.2，由欧拉公式得
yk+ 1=yk+h(fxk,yk)=ykhky hkx yk 2 =0.2yk(4xkyk)k(=0,1,2)
故y(0.2)y1=0.2×1(4－0×1)＝0.800 0 y(0.4)y2=0.2×0.8×(4－0.2×0.8)＝0.614 4 y(0.6)y3=0.2×0.614 4×(4－0.4×0.4613)＝0.800 0
Step 2: 将 K2 代入第1式，得到 y i+ 1 = y i+ h1 y ( x i) + 2 [ y ( x i) + p y ( h x i) + O ( h 2 )] = y i+ (1 + 2 ) h y ( x i) + 2 p 2 y h ( x i) + O ( h 3 )
f y ( x, f y ( x,
y) y)
dy dx f (x,
y)
K 2= f(x i+ p,y h i+ p1 h ) K = f(x i,y i)+ px h (x i,y fi)+ p1 h fy (x K i,y i)+ O (h 2 ) = y (x i)+ py h (x i)+ O (h 2 )
例1：用预报－校正公式求解初值问题
y
+y+
y
sinx=
y() =
取步长 h = 0.2,计算 y(1.2), y(1.4)的近似值，计算过程保
使用欧拉法作为预估公式,梯形法作为校正公式
欧拉法和梯形法是常见的数值计算方法，在求解微分方程以及积分时被广泛应用。
本文将从基本原理、应用场景和具体算法等方面详细介绍欧拉法和梯形法的相关知识。
一、欧拉法的基本原理欧拉法是一种数值计算方法，用于求解常微分方程的数值解。
它的基本原理是根据微分方程的导数来进行逼近。
对于微分方程 dy/dx = f(x, y)，在给定初始条件 y0 = y(x0)，我们可以用如下的递推公式来求解微分方程的数值解：y_{n+1} = y_n + hf(x_n, y_n)其中 h 为步长，根据这个递推公式，我们可以逐步求解微分方程在不同点上的数值解。
二、欧拉法的应用场景欧拉法适用于一阶常微分方程，并且其计算简单、直观，因此在实际应用中被广泛采用。
特别是对于一些复杂的微分方程，往往无法通过解析方法求解，而通过欧拉法可以得到较为准确的数值解。
因此在物理、工程、生物等领域，欧拉法都有着重要的应用价值。
三、欧拉法的具体算法1. 初始化条件：给定微分方程的初始条件 y0 = y(x0)，以及步长 h。
2. 递推求解：根据递推公式 y_{n+1} = y_n + hf(x_n, y_n)，依次求解微分方程在各个点上的数值解。
3. 结果输出：得到微分方程在各个点上的数值解，并输出结果。
四、梯形法的基本原理梯形法是一种数值积分方法，用于对函数进行数值积分。
它的基本原理是将积分区间等分成若干小段，然后用梯形来逼近每个小段上的积分值。
具体来说，对于积分区间 [a, b] 上的函数 f(x)，我们可以用以下递推公式来求解积分的数值近似：I_{n+1} = I_n + h/2(f(x_n) + f(x_{n+1}))其中h 为步长，根据这个递推公式，我们可以逐步逼近积分的数值值。
五、梯形法的应用场景梯形法适用于对函数进行数值积分的场景，特别是对于无法通过解析方法求解积分的情况。
例如在泛函分析、数值计算等领域，梯形法都有着重要的应用价值。
梯形法的计算相对简单，适合通过计算机程序来实现，因此在实际应用中也被广泛采用。
用欧拉法、改进欧拉法、四阶龙格-库塔法解初值问题
常微分方程的数值解一、实验名称：用欧拉法、改进欧拉法、四阶龙格-库塔法解初值问题[])( b a, x ),(00⎪⎩⎪⎨⎧=∈=y x y y x f dx dy 要求输出：x ，真值，欧拉法，改进欧拉法，龙格库塔法二、算法：（1）欧拉法公式：),(1n n n n y x f h y y +=+（2）改进欧拉法公式：[]),(),(2111+++++=n n n n n n y x f y x f h y y （3）龙格—库塔法公式： ()⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧++=⎪⎭⎫ ⎝⎛++=⎪⎭⎫ ⎝⎛++==++++=+342312143211,2,212,21),()22(6hk y h x f k k h y h x f k k h y h x f k y x f k k k k k h y y n n n n n n n n n n 三、源程序（见附件）1. 常微分方程见f.m2. 欧拉法、改进欧拉法、龙格库塔法及真值对比见cwffc.m四、数值例子以讲义例9.2为例：⎪⎩⎪⎨⎧=-=1)0(2y y x y dxdy 在区间[0，1.5]上，取h=0.11.在命令窗口输入: cwffc(@f,1,0.1,0,1.5)、回车输出：欧拉法、改进欧拉法、龙格库塔法的计算结果及真值五、分析总结由以上的实例可以看出这三种方法的计算精度：龙格库塔>改进欧拉法>欧拉法，由于欧拉法采取的实际是左矩形公式，随着计算次数的增多，其误差越来越大，改进欧拉法较欧拉法的精度要高，而龙格库塔法具有收敛、稳定、计算过程中可以改变步长等优点。
六、操作手册1.双击启动matlab；2.在命令窗口依次输入cwffc(@fx,y0,h,a,b)，回车（输入时给y0赋初始值，h赋步长，a赋左端点值，b赋右端点值，常微分方程的修改在f.m 中进行），即可输出真值和欧拉法、改进欧拉法、龙格库塔法的计算结果。
数学建模之欧拉算法（求解常微分方程）
数学建模之欧拉算法（求解常微分⽅程）⽬录数学建模之求解常微分算法常微分⽅程欧拉算法定义定义：在数学和计算机科学中，欧拉⽅法，命名⾃它的发明者莱昂哈德·欧拉，是⼀种⼀阶数值⽅法，⽤以对给定初值的常微分⽅程（即初值问题）求解。
它是⼀种解决数值常微分⽅程的最基本的⼀类显型⽅法（Explicit method ）。
欧拉法是常微分⽅程的数值解法的⼀种，其基本思想是迭代。
其中分为前进的EULER 法、后退的EULER 法、改进的EULER 法。
所谓迭代，就是逐次替代，最后求出所要求的解，并达到⼀定的精度。
误差可以很容易地计算出来。
⾮线性⽅程都是所谓“解不出来”的，即使是d yd x =y 2+x 2。
对于⽤微分⽅程解决实际问题来说，数值解法是⼀个重要的⼿段。
公式推导设微分⽅程为d y d x =f (x n ,y (x n )),a ≤x ≤b y (a )=y 0差商近似导数若⽤向前差商y (x n +1)−y (x n )h 代替y ′(x n )带⼊微分⽅程d y d x =f (x n ,y (x n ))中，可得y (x n +1)−y (x n )h ≈f (x n ,y (x n ))y (x n +1)=y (x n )+hf (x n ,y (x n ))如果⽤y (x n )的近似值y n 代⼊上式右端，所得结果作为y (x n +1)得近似值，记为y n +1，则有y n +1=y n +hf (x n ,y n ),n =0,1,⋯,N −1这样，微分⽅程的近似解可以通过求解下述式⼦来获得y n +1=y n +hf (x n ,y n ),n =0,1,⋯,N −1y 0=y (a )算法缺点欧拉算法简单地取切线地端点作为起点来计算，当步数增多时，误差会因积累⽽越来越⼤。
因此，欧拉算法⼀般不⽤于实际计算。
{{Processing math: 100%。
常微分方程欧拉方法
常微分方程欧拉方法常微分方程欧拉方法是一种求解常微分方程数值解的方法。
常微分方程是描述物理、工程等领域中许多现象和问题的数学模型，求解常微分方程的数值方法在实际问题中具有重要的应用价值。
欧拉方法是求解常微分方程的一种简单直观的数值方法，它的基本思想是将微分方程转化为差分方程，通过迭代计算得到数值解。
欧拉方法的基本原理是通过一阶泰勒展开近似替代微分方程中的导数项，从而将微分方程转化为差分方程。
对于一阶常微分方程dy/dx=f(x,y)，欧拉方法的迭代公式为y_(n+1) = y_n + h * f(x_n,y_n)，其中h是步长，n为迭代次数。
欧拉方法根据初始条件y_0和步长h，通过迭代计算得到一系列的近似解y_1, y_2, ..., y_n。
欧拉方法的主要优点是简单易实现，计算量较小。
它适用于求解线性常微分方程或近似线性的非线性方程，并且对于一些简单的物理问题，欧拉方法的数值解能够提供较好的近似结果。
然而，欧拉方法也存在一些局限性，由于其基于一阶近似，所以在步长较大的情况下误差较大，容易积累，导致数值解的精度下降。
因此，在使用欧拉方法时需要控制好步长大小，选择合适的迭代次数，从而保证数值解的准确性。
在实际问题中，欧拉方法可以通过多种方式进行改进。
比如改进的欧拉方法（改进的欧拉方法也被称为向前欧拉法）使用角标n+1/2的数据点估计导数，这样可以提高数值解的精度。
此外，也可以使用自适应步长策略来自动调整步长大小，从而提高数值解的准确性。
还可以结合其他数值方法，如Runge-Kutta方法等，进行数值求解。
总结起来，常微分方程欧拉方法是一种简单直观的数值求解方法，但在实际应用中需要注意步长的选择和积累误差的处理。
在对于线性常微分方程或近似线性的非线性方程的求解中，欧拉方法能够给出较好的近似解，但在复杂的非线性方程求解中，通常需要结合其他数值方法使用。
常微分方程 欧拉法
常微分方程欧拉法常微分方程是数学中的一个重要分支，它研究的是描述自然现象中变化规律的方程。
欧拉法是解常微分方程数值解法中的一种方法，它是一种基于欧拉公式的一阶数值方法，可以用于求解一些简单的常微分方程，下面我们将详细介绍欧拉法的原理和应用。
一、欧拉法的原理欧拉法是一种基于欧拉公式的一阶数值方法，它是一种比较简单的数值解法，适用于求解一些简单的常微分方程。
欧拉法的基本思想是将微分方程的求解问题转化为一个逐步逼近的问题，即将求解的区间分成若干个小区间，然后在每个小区间内用欧拉公式逐步逼近解。
欧拉公式是一个一阶泰勒公式，它的表达式为：$$y_{n+1}=y_n+hf(x_n,y_n)$$其中，$y_n$表示在$x_n$处的解，$h$表示步长，$f(x_n,y_n)$表示微分方程在$(x_n,y_n)$处的导数。
欧拉法的基本思想是根据欧拉公式逐步逼近解，即从初始点开始，依次计算每一个点的解，直到求得终止点的解。
欧拉法的步骤如下：1. 确定初始点$(x_0,y_0)$和终止点$(x_n,y_n)$以及步长$h$。
2. 根据欧拉公式计算下一个点的解$y_{n+1}$。
3. 重复步骤2，直到求得终止点的解。
二、欧拉法的应用欧拉法是一种比较简单的数值解法，适用于求解一些简单的常微分方程。
下面我们将通过一个实例来介绍欧拉法的应用。
例子：求解微分方程$y'=x+y$，$y(0)=1$在$x=1$处的解。
解：根据欧拉公式，我们可以得到：$$y_{n+1}=y_n+hf(x_n,y_n)$$将微分方程代入公式中，得到：$$y_{n+1}=y_n+h(x_n+y_n)$$根据初始条件$y(0)=1$，我们可以得到：$$y_1=y_0+h(0+1)=1+h$$$$y_2=y_1+h(1+y_1)=1+2h+h^2$$$$y_3=y_2+h(2+y_2)=1+3h+3h^2+h^3$$$$y_4=y_3+h(3+y_3)=1+4h+6h^2+4h^3+h^4$$将$h=0.1$代入上述公式中，我们可以得到：$$y_1=1.1$$$$y_2=1.21$$$$y_3=1.331$$$$y_4=1.4641$$因此，在$x=1$处的解为$y(1)=1.4641$。
常微分方程数值方法之后退欧拉方法
对于微分方程初值问题()=x y dy f dx，， ()00y x =y的解在x y 平面上是一条曲线，称为该微分方程的积分曲线。
积分曲线上一点(),x y 的切线斜率等于函数f 在点(),x y 的值，从初始点()000,P x y 出发，向该点的切线方向推进到下一个点()111,P x y ，然后依次做下去，得到后面的未知点。
一般地，若知道(),n n n P x y 依上述方法推进到点()111,n n n P x y +++，则两点的坐标关系为：()11,n n nn n ny y fxy x x ++-=-即()1,n n n n y y hf x y +=+这种方法就是欧拉（Euler ）方法。
当初值0y 已知，则n y 可以逐步算出()1000,y y hf x y =+ ()2111,y y hf x y =+()111,n n n n y y hf x y ---=+对微分方程()=x y dy f dx，从n x 到1n x +积分，那么有()()()()11,n nx n n x y x y x f t y t dt ++=+⎰【3】现在用左矩形公式()(),n n hf x y x 代替()()1,n nx x f t y t dt +⎰，n y 代替()n y x ，1n y +代替()1n y x +就得到了欧拉方法。
如果用右矩形公式()()11,n n hf xy x ++去代替右端积分，则得到另外一个公式，该方法就称为后退的欧拉方法，其公式为()111,n n n n y y hf x y +++=+【4】欧拉公式与后退的欧拉公式的区别在于欧拉公式是关于1n y +的一个直接计算公式，然而后退的欧拉公式右端含有1n y +，所以它实际上是关于1n y +的一个函数方程。
接下来考察后退的欧拉法的迭代公式。
常微分方程初值问题解法
8
4 后退的欧拉方法
(5)
9
(6)
(6)式称为后退的欧拉方法,它是隐式的, 欧拉公式(2)是显式的,
10
(7)
11
12
后退的欧拉方法的局部截断误差:
13
5 梯形方法
(8)
(8)式称为梯形方法.
14
梯形方法的局部截断误差:
15
6. 改进欧拉法及局部截断误差
（1）改进的欧拉公式:
预测步
~ yn 1 yn hf xn , yn
33
提高Runge-Kutta方法的精度的方法
提高积分方法的精度,我们最熟悉的(不一定是最好的)措施是
Richardson 外推法
我们用一个例子予以说明如下 的近似解： Euler法 yn 1 yn hyn y ( h ) ( x) y ( x) c1h c2 h 2 h 将步长减半为 时，有 2 h ( ) 1 1 y 2 ( x) y ( x) c1h c2 h 2 2 4
h) p 1 Yn( (1 1 ch
d
(h) n 1
因此可以从两次计算当中估计出每一步的截断误差,有了这个误差估计之后, 通过与控制误差限比较,就可以控制步长. 注意这个方法增加了计算量.
35
1 1 2 p
) (h (h) 2 Y Y n 1 ; n 1
30
yx 例 求解初值问题ODE : dy dx
易知其精确解为：y 2 2 x x 2 e x
2
,
y (0) 1.
步长都取为 h 0.1 分别用二阶、四阶 R K方法求解：
x
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
常微分方程初值问题的数值解法
常微分方程初值问题的数值解法在实际应用中，对于某些微分方程，我们并不能直接给出其解析解，需要通过数值方法来求得其近似解，以便更好地理解和掌握现象的本质。
常微分方程初值问题（IVP）即为一种最常见的微分方程求解问题，其求解方法有多种，本文将对常微分方程初值问题的数值解法进行较为详细的介绍。
一、欧拉法欧拉法是最基本的一种数值解法，它采用泰勒级数展开并截断低阶项，从而获得一个差分方程近似求解。
具体来讲，设 t 为独立变量，y(t) 为函数 y 关于 t 的函数，方程为：$$y'(t) = f(t, y(t)), \qquad y(t_0) = y_0$$其中 f(t,y(t)) 为已知的函数，y(t_0) 为已知的初值。
将函数 y(t) 进行泰勒级数展开：$$y(t+h) = y(t) + hf(t, y(t)) + O(h^2)$$其中 h 表示步长，O(h^2) 表示其他高阶项。
为了使误差较小，一般取步长 h 尽可能小，于是我们可以用欧拉公式表示数值解：$$y_{n+1} = y_n + hf(t_n, y_n), \qquad y_0 = y(t_0)$$欧拉法的优点是容易理解和实现，但是由于截取低阶项且使用的单步法，所以误差较大，精度较低，在具体应用时需要慎重考虑。
二、龙格-库塔法龙格-库塔法（Runge-Kutta method）是一种多步法，比欧拉法更加精确。
龙格-库塔法的主要思想是使用不同的插值多项式来计算近似解，并且将时间步长分解，每次计算需要多次求解。
以下简要介绍二阶和四阶龙格-库塔法。
二阶龙格-库塔法将时间步长 h 分解成两步 h/2，得到近似解表达式：$$\begin{aligned} k_1 &= hf(t_n, y_n)\\ k_2 &= hf(t_n+h/2,y_n+k_1/2)\\ y_{n+1} &= y_n+k_2+O(h^3)\\ \end{aligned}$$四阶龙格-库塔法四阶龙格-库塔法是龙格-库塔法中应用最为广泛的一种方法，其需要计算的中间值较多，但是具有更高的精度。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
)
f ( xn1, yn1)
hL
y(k ) n 1
yn1
L
hL
k 1
y(0) n 1
yn1
Q
hL 1,
y (k 1) n 1
yn1 (k
)
在迭代公式中取极限，有
yn1 yn h f ( xn1, yn1 ) 因此yn(k1)的极限就是隐式方程的解
几何意义
y
设已知曲线上一点 Pn (xn , yn ),过该 点作弦线，斜率为(xn+1 , yn +1 ) 点的 方向场f(x,y)方向,若步长h充分小， 可用弦线和垂线x=xn+1的交点近似 曲线与垂线的交点。
式。隐式公式不能直接求解，一般需要用Euler显式公式
得到初值，然后用Euler隐式公式迭代求解。因此隐式公
式较显式公式计算复杂，但稳定性好
y0 n1
yn
h
y(k 1) n1
yn
h
f (xn , yn )
f
( xn1 ,
y(k) n1
)
收敛性
y (k 1) n 1
yn1
h
f
( xn1,
y(k ) n 1
如何求解
解析解法：（常微分方程理论）
只能求解极少一类常微分方程；实际中给定的问题不一 定是解析表达式，而是函数表，无法用解析解法。
数值解法: 求解所有的常微分方程
计算解函数 y(x) 在一系列节点 a = x0< x1<…< xn= b
处的近似值 yi y( xi ) (i 1, ... , n)
y(xn1) y(xn ) hy(xn ) y(xn ) yn
y(xn1) yn1 yn h f (xn , yn )
§1 Euler’s Method
Taylor展开法
yn1 yn h f (xn , yn ) n 0, 1,...
--------Euler’s Method
几何意义
几何直观是帮助我们寻 找解决一个问题的思路
的好办法哦 亦称为欧拉折线法
/* Euler’s polygonal arc method*/
显然，这种近似有一定误差， 而且步长越大，误差越大， 如何估计这种误差y(xn+1) yn+1 ？
§1 Euler’s Methபைடு நூலகம்d
定义 在假设 yn = y(xn)，即第 n 步计算是精确的前提下，考 虑公式或方法本身带来的误差: Rn = y(xn+1) yn+1 , 称为局部 截断误差 /* local truncation error */。
y' (xn+1)代替f(xn+1 , yn +1 )
§1 Euler’s Method
Pn+1
Pn
y(x)
xn
xn+1
x
见上图， 显然，这种近似也有一定误差， 如何估计这种误差y(xn+1) yn+1 ？ 方法同上，基于Taylor展开估计局部截断误差。 但是注意，隐式公式中右边含有f(xn+1 , yn +1 ) , 由于yn +1不准确，所以不能直接用
欧拉法的局部截断误差：
Rn1
y ( xn 1 )
yn1
[ y(xn )
hy(xn )
h2 2
y(xn )
O(h3 )]
Rn+1 的主项
/* leading term */
[ yn hf (xn , yn )]
h2 2
y(xn ) O(h3 )
§1 Euler’s Method
定义 若某算法的局部截断误差为O(hp+1)，则称该算法有p 阶精度。
说明
§1 Euler’s Method
截断误差: 实际上，y(xn) yn， yn 也有误差，它对yn+1的误 差也有影响，见下图。但这里不考虑此误差的影响，仅考虑 方法或公式本身带来的误差，因此称为方法误差或截断误差。
局部截断误差的分析：由于假设yn = y(xn) ，即yn准确，因此 分析局部截断误差时将y(xn+1) 和 yn+1都用点xn上的信息来表 示，工具：Taylor展开。
第五章 常微分方程数值解
/* Numerical Methods for Ordinary Differential Equations */
待求解的问题：一阶常微分方程的初值问题 /* Initial-Value
Problem */:
dy f ( x, y) x [a, b] dx y(a) y0
y( xn1 )
y(xn1) h
y(xn )
y(xn1) y(xn ) hy(xn1)
y(xn ) yn y(xn1) yn1 yn h f (xn1, yn1)
隐式或后退欧拉公式
§1 Euler’s Method
由于未知数 yn+1 同时出现在等式的两边，故称为隐式 /* implicit */ 欧拉公式，而前者称为显式 /* explicit */ 欧拉公
节点间距 hi xi1 xi (i 0, ... , n 1) 为步长，通常采用等距节点， 即取 hi = h (常数)。 步进式：根据已知的或已求出的节点上的函数值计算 当前节点上的函数值，一步一步向前推进。因此只需 建立由已知的或已求出的节点上的函数值求当前节点 函数值的递推公式即可。
§1 欧拉方法 /* Euler’s Method */
欧拉法具有 1 阶精度。
在第2章讨论牛顿插值公式时 介绍了差商的概念和性质， 各阶差商可以近似各阶导数，具有不同的精度， 且可以用函数值来表示。 上一章中数值微分的方法之一
就是用差商近似导数
在xn点用一阶向前差 商近似一阶导数
y(xn )
y(xn1) h
y(xn )
y(xn1) y(xn ) hy(xn )
Euler’s method
y(xn ) yn
y(xn1) yn1 yn h f (xn , yn )
➢ 欧拉公式的改进：
隐式欧拉法或后退欧拉法 /* implicit Euler
method or backward Euler method*/
§1 Euler’s Method
xn+1点向后差商近似导数
解的存在唯一性（“常微分方程”理论）：只要 f (x, y) 在[a, b] R1 上连续，且关于 y 满足 Lipschitz 条件，即存在与 x, y 无关的常数 L 使| f (x, y1) f (x, y2 ) | L | y1 y2 |
对任意定义在 [a, b] 上的 y1(x) 和 y2(x) 都成立，则上述IVP存 在唯一解。