Řešení "stiff soustav obyčejných diferenciálních rovnic

Podobné dokumenty
Obyčejné diferenciální rovnice (ODE)

Numerická matematika 1

metody jsou proto často jedinou možností jak danou diferenciální rovnicivyřešit.

ODR metody Runge-Kutta

Tento dokument obsahuje zadání pro semestrální programy z PAA. Vypracování. vypracovanou úlohu podle níže uvedených zadání. To mimo jiné znamená, že

řešeny numericky 6 Obyčejné diferenciální rovnice řešeny numericky

Numerické řešení diferenciálních rovnic

Numerické řešení obyčejných diferenciálních rovnic

úloh pro ODR jednokrokové metody

Uvod k pocatecnimu problemu pro obycejne diferencialni

Obyčejné diferenciální rovnice počáteční úloha. KMA / NGM F. Ježek

11. přednáška 10. prosince Kapitola 3. Úvod do teorie diferenciálních rovnic. Obyčejná diferenciální rovnice řádu n (ODR řádu n) je vztah

Parciální diferenciální rovnice

Hledání extrémů funkcí

metody jsou proto často jedinou možností jak danou diferenciální rovnicivyřešit.

VYBRANÉ PARTIE Z NUMERICKÉ MATEMATIKY

Numerická matematika Písemky

Příklady pro cvičení 22. dubna 2015

- funkce, které integrujete aproximujte jejich Taylorovými řadami a ty následně zintegrujte. V obou případech vyzkoušejte Taylorovy řady

Numerické metody a programování. Lekce 7

Numerické řešení nelineárních rovnic

Soustavy nelineárních rovnic pomocí systému Maple. Newtonova metoda.

Budeme hledat řešení y(x) okrajové úlohy pro diferenciální rovnici druhého řádu v samoadjungovaném tvaru na intervalu a, b : 2 ) y i p i+ 1

Diferenciální rovnice 1

Numerická matematika. Zadání 25. Řešení diferenciální rovnice Rungovou Kuttovou metodou

MATEMATIKA III. Olga Majlingová. Učební text pro prezenční studium. Předběžná verze

7. Derivace složené funkce. Budeme uvažovat složenou funkci F = f(g), kde některá z jejich součástí

1. Chyby vstupních dat metody převedení úlohy na numerickou (řád použité metody) zaokrouhlovací reprezentace čísel v počítači


Numerické metody a statistika

AVDAT Nelineární regresní model

PRAKTIKUM I. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Pracoval: Pavel Ševeček stud. skup.: F/F1X/11 dne:

Homogenní rovnice. Uvažujme rovnici. y = f(x, y), (4) kde

Nyní využijeme slovník Laplaceovy transformace pro derivaci a přímé hodnoty a dostaneme běžnou algebraickou rovnici. ! 2 "

l, l 2, l 3, l 4, ω 21 = konst. Proved te kinematické řešení zadaného čtyřkloubového mechanismu, tj. analyticky

Numerická stabilita algoritmů

Diskretizace. 29. dubna 2015

Numerické řešení diferenciálních rovnic

ÚSTAV MATEMATIKY A DESKRIPTIVNÍ GEOMETRIE. Matematika 0A1. Cvičení, zimní semestr. Samostatné výstupy. Jan Šafařík

y = 1 x (y2 y), dy dx = 1 x (y2 y) dy y 2 = dx dy y 2 y y(y 4) = A y + B 5 = A(y 1) + By, tj. A = 1, B = 1. dy y 1

dx se nazývá diferenciál funkce f ( x )

Stabilizace Galerkin Least Squares pro

Derivace funkcí více proměnných

9. přednáška 26. listopadu f(a)h < 0 a pro h (0, δ) máme f(a 1 + h, a 2,..., a m ) f(a) > 1 2 x 1

1 Modelování systémů 2. řádu

Numerické řešení rovnice f(x) = 0

Moderní numerické metody

Aplikovaná numerická matematika - ANM

Řešení 1D vedení tepla metodou sítí a metodou

Obsah Obyčejné diferenciální rovnice

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2011/2012. x + y + 3z = 1 (2a 1)x + (a + 1)y + z = 1 a

Funkce zadané implicitně

Maturitní témata z matematiky

Úvod do analytické mechaniky

Vlastnosti členů regulačních obvodů Osnova kurzu

teorie elektronických obvodů Jiří Petržela řešení nelineárních obvodů

Nalezněte obecné řešení diferenciální rovnice (pomocí separace proměnných) a řešení Cauchyho úlohy: =, 0 = 1 = 1. ln = +,

Experimentální realizace Buquoyovy úlohy

Změna koeficientů PDR při změně proměnných

Zimní semestr akademického roku 2015/ ledna 2016

5.3. Implicitní funkce a její derivace

5. cvičení z Matematiky 2

Obyčejnými diferenciálními rovnicemi (ODR) budeme nazývat rovnice, ve kterých

Úvodní informace. 17. února 2018

Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering Czech Technical University in Prague

NUMERICKÉ METODY. Problematika num. řešení úloh, chyby, podmíněnost, stabilita algoritmů. Aproximace funkcí.

Nelineární rovnice. Numerické metody 6. května FJFI ČVUT v Praze

Příklad 1. Řešení 1a. Řešení 1b ŘEŠENÉ PŘÍKLADY Z M1B ČÁST 5

Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering Czech Technical University in Prague

Zavedeme-li souřadnicový systém {0, x, y, z}, pak můžeme křivku definovat pomocí vektorové funkce.

Matematika 1 pro PEF PaE

Citlivost kořenů polynomů

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium 2018

4. OBYČEJNÉ DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE

Státní závěrečná zkouška z oboru Matematika a její použití v přírodních vědách

4 Numerické derivování a integrace

Matematika 1 Jiˇr ı Fiˇser 19. z aˇr ı 2016 Jiˇr ı Fiˇser (KMA, PˇrF UP Olomouc) KMA MAT1 19. z aˇr ı / 19

Diferenciální počet funkcí jedné proměnné

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2014/2015

9.3. Úplná lineární rovnice s konstantními koeficienty

Logaritmické a exponenciální funkce

Úloha 1. Napište matici pro případ lineárního regresního spline vyjádřeného přes useknuté

Matematika I. dvouletý volitelný předmět

1 Polynomiální interpolace

Modelování anelastické odezvy vlastních kmitů zemětřesení v Chile 2010

Gymnázium Česká a Olympijských nadějí, České Budějovice, Česká 64, 37021

CZ 1.07/1.1.32/

Studijní text pro obor G+K Katedra matematiky Fakulta stavební ROVNICE. Doc. RNDr. Milada Kočandrlová, CSc.

Řešení okrajové úlohy metodou konečných diferencí a relaxační metody

PŘÍKLAD PŘECHODNÝ DĚJ DRUHÉHO ŘÁDU ŘEŠENÍ V ČASOVÉ OBLASTI A S VYUŽITÍM OPERÁTOROVÉ ANALÝZY

Wolfram Alpha. v podobě html stránky, samotný výsledek je často doplněn o další informace (např. graf, jiné možné zobrazení výsledku a

Princip řešení soustavy rovnic

Libovolnou z probraných metod najděte s přesností na 3 desetinná místa kladný kořen rovnice. sin x + x 2 2 = 0.

Odpružená sedačka. Petr Školník, Michal Menkina. TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií

Řešení nelineárních rovnic

naopak více variant odpovědí, bude otázka hodnocena jako nesprávně zodpovězená.

Paralelní LU rozklad

NESTABILITY VYBRANÝCH SYSTÉMŮ. Úvod. Vzpěr prutu. Petr Frantík 1

Nalezněte hladiny následujících funkcí. Pro které hodnoty C R jsou hladiny neprázdné

Kapitola 12: Soustavy diferenciálních rovnic 1. řádu

Transkript:

Řešení "stiff soustav obyčejných diferenciálních rovnic Jiří Škvára Katedra fyziky, Přírodovědecká fakulta Univerzity J.E. Purkyně v Ústí n.l.. ročník, počítačové metody ve vědě a technice Abstrakt Seminární práce se zabývá řešením "stiff soustav obyčejných diferenciálních rovnic. Jsou zde popsány tři běžné metody, jejichž výsledky jsou srovnány pro různé časové kroky. Úvod Při řešení soustav obyčejných diferenciálních rovnic je možné narazit na rovnice, které obsahují silné tlumení s charakteristickým časem τ s, který je podstatně menší než charakteristické časy ostatních jevů, jež rovnice popisuje. Pro řešení těchto rovnic je tedy nutné volit mnohem menší krok t < τ s, abychom získali smysluplný výsledek. Další možností je užití implicitních metod, které nám umožňují zachovat přesnost i při větším časovém kroku. Numerické metody Pro řešení těchto rovnic lze použít klasické numerické metody stejné jako pro řešení soustav obyčejných diferenciálních rovnic, je však nutné podstatně zmenšit krok mezi iteracemi. Příkladem takových soustav mohou být rovnice : du = 00u + u du = u s počáteční podmínkou u (0) =, u (0) =.

. Eulerova explicitní metoda Explicitní Eulerova metoda může být odvozena snadno z definice derivace: f f (x+h) f (x) (x) = lim, h 0 h kde zanedbáme limitu a nahradíme f (x) přibližnou hodnotou x i, f (x + h) pak hodnotou x i+. Dostaneme tedy: f (x) x i+ x i h = f i. Stejného výsledku bychom dosáhli odvozením z Taylorova rozvoje a využitím jeho nultého členu. Pro řešení výše uvedené soustavy diferenciálních rovnic upravíme tento vztah na rekurentní vztah: x i+ = x i + h f (x i ). Soustavu tedy přepíšeme do tvaru (zde horní index označuje iteraci): u (k+) + h( 00u(k) + u(k) ) u (k+) hu(k). Implicitní Eulerova metoda Jedná se o úpravu klasické Eulerovy metody, která zvyšuje přesnost a zaručuje stabilitu metody. Metoda se liší v tom, že se neurčuje derivace v bodě x ale v bodě x + h. Rekurentní vztah tedy přechází na tvar: x i+ = x i + h f (x i+ ). () Tento tvar by vyžadoval počítat s hodnotami, které ještě nemáme vypočteny. Je tedy nutné upravit tuto rovnici do vhodnějšího tvaru: x i+ h f (x i+ ) = x i Pokud bychom nyní dosadili vztahy pro rovnice u a u dostali bychom: což lze dále upravit na finální vztahy: u (k+) + 00hu (k+) ) + hu(k+) u (k+) + hu (k+), u (k+) = u(k) +hu(k+) +00h u (k+) = u(k) +h.

.3 Semiimplicitní Eulerova metoda Jedná se o zobecnění implicitní metody na soustavy nelineárních rovnic. Vychází se z využití Newtonovy metody, což nás vede na použití Jakobiho matice. Prvním krokem v odvození této metody je tedy linearizace problému, kdy zadanou rovnici rozvineme pomocí Taylorova rozvoje: f(x i+ ) = f(x i ) + f x x i (x i+ x i ), () kde část s parciální derivací nám tvoří Jakobiho matici. Dosazením do vztahu pro implicitní Eulerovu metodu dostaneme: x i+ = x i + hf(x i+ ) = x i + h(f(x i ) + J(x i+ x i )) (3) (I hj)x n+ = (I hj)x n + hf(x n ) x n+ = x n + h(i hj) f(x n ) Výhodou tohoto přístupu je možnost používat větší krok, za to však platíme časovou náročností kvůli výpočtu inverzní matice například pomocí LU dekompozice. 3

3 Výsledky Zmíněnými metodami byla počítána soustava ODR du = 00u + u du = u s počáteční podmínkou u (0) =, u (0) = a analytickým řešením: a exp( 00.0t) +.0 99.0b exp( t)b exp( t) Pro lepší přehlednost byly jednotlivé rovnice rozděleny do vlastních grafů. Na obrázku jsou výsledky obou složek soustavy v závislosti na čase řešené implicitní, explicitní a semiimplicitní Eulerovou metodou pro krok = 0.05 v porovnání a analytickým řešením. Můžeme vidět, že pro druhou složku soustavy si vystačí obě metody s tímto časovým krokem, ovšem u první složky se u implicitní metody snižuje přesnost, semiimplicitní metoda dává přibližně stejný výsledek jako implicitní a explicitní metoda se stává nestabilní. Obrázek : Srovnání implicitní a explicitní a semiimplicitní Eulerovy metody na jednotlivých složkách soustavy ODR pro = 0.05. Jak ukazuje obrázek situace se zlepšuje při snížení kroku na = 0.005, kde už jsou všechny tři metody stabilní a při velikosti kroku = 0.00 už dostáváme relativně přesný výsledek od všech použitých metod. Stále je zde ale patrna drobná odchylka explicitní metody od ostatních řešení (obrázek 3). 4 Závěr Zadaná stiff úloha byla řešena různými variantami Eulerovy metody a byla porovnána jejich přesnost. Ukázalo se, že explicitní Eulerova metoda v tomto případě je klasická Eulerova metoda použitelná až od = 0.005 do té doby je nestabilní. I při stabilním řešení však implicitní metoda dává mnohem lepší výsledky, které jsou téměř shodné s výsledky semiimplicitní metody. 4

Obrázek : Srovnání implicitní a explicitní a semiimplicitní Eulerovy metody na jednotlivých složkách soustavy ODR pro = 0.005. Obrázek 3: Srovnání implicitní a explicitní a semiimplicitní Eulerovy metody na jednotlivých složkách soustavy ODR pro = 0.00. 5