- •Федеральное государственное бюджетное
- •Глава 1 посвящена изучению общих вопросов теории уравнений (1) с точки зрения известных свойств операторов.
- •§2. Исследование поведения решений однородного уравнения на бесконечности
- •§3. Ограниченность решений однородного уравнения
- •§4.Условия существования ограниченного решения у неоднородного уравнения
- •Глава 2. Численные методы приближенного решения задачи Коши для однородных дифференциальных уравнений в банаховом пространстве
- •§5. Общие сведения о дифференциальных уравнениях
- •§6. Численные методы решения задачи Коши для обыкновенного дифференциального уравнения первого порядка
- •Решение.
- •§8.Метод Эйлера-Коши
- •§ 7.Метод Эйлера
- •Решение.
- •§ 9. Метод Рунге-Кутта
- •Решение.
- •Реализация метода Рунге-Кутта с помощью системы Maxima
- •§10. Решение краевых задач для линейных дифференциальных уравнений второго порядка методом конечных разностей
- •Решение.
- •Реализация конечно-разностного метода
- •§ 11. Метод сеток для решения дифференциальных уравнений в частных производных
- •Решение.
- •Решение.
- •Выполним реализацию конечно-разностного метода в системе компьютерной математики Maxima
- •Заключение
- •Список литературы
Глава 2. Численные методы приближенного решения задачи Коши для однородных дифференциальных уравнений в банаховом пространстве
§5. Общие сведения о дифференциальных уравнениях
При изучении физических явлений часто не удается непосредственно найти закон, связывающий независимые переменные и искомую функцию, но можно установить связь между этой функцией и ее производными, выражаемую дифференциальным уравнением. Приведём основные понятия теории дифференциальных уравнений [15].
Определение
Уравнение,
связывающее независимую переменную
,
искомую функцию
и её производные
,
т.е уравнение вида

называется дифференциальным уравнением.
Здесь
известная функция,
-
независимое переменное,
неизвестная функция.
Определение
Если
искомая функция
есть функция одной переменной, то
дифференциальное уравнение называетсяобыкновенным.
Определение
Порядком
дифференциального уравнения называется
наивысший порядок входящих в него
производных.
Определение
5.4. Решением
дифференциального
уравнения
го
порядка на интервале
называется функция
,
определенная на отрезке
вместе со своими производными до
го
порядка включительно, и такая, что
подстановка функции
в дифференциальное уравнение превращает
последнее в тождество по
на
Дифференциальное
уравнение
имеет бесконечно многорешений.
Определение
Множество
всех решений уравнения
называетсяобщим
решением
уравнения
Всякое
отдельно взятое решение называется егочастным
решением.
Определение
Задача
для нахождения
уравнения
удовлетворяющего начальным условиям
,
,…,
,
называетсязадачей
Коши
для уравнения

Известна теорема существования и единственности решения задачи Коши[12].
Теорема
.Если
в уравнении
функция
непрерывна по всем своим аргументам
в некоторой области
их
изменения;имеет ограниченные в области
частные производные
,
,
,…,
по аргументам
то
найдется интервал
на котором существует единственное
решение
,
удовлетворяющее условиям
,…,
где значения
y
=
,
,…,
=
содержатся в области
.
§6. Численные методы решения задачи Коши для обыкновенного дифференциального уравнения первого порядка
Рассмотрим постановку задачи Коши для системы обыкновенных дифференциальных уравнений вида
=

где

искомая вектор-функция;
независимая переменная;
;
,
порядок
системы;
–координаты;

.
Систему
можно переписать в развернутом виде

где
.
Если
,
то мы получаем обыкновенное дифференциальное
уравнение первого порядка:
=

При
этом решение задачи Коши для уравнения
заключается в нахождении интегральной
кривой, проходящей через заданную точку
и удовлетворяющую заданному начальному
условию
Задача состоит в том, чтобы найти искомую
функцию
,
удовлетворяющую
и заданным начальным условиям.
Построение
численных алгоритмов решения уравнения
опирается на дескритизацию задачи.
Введем в области расчета
дискретный набор точек
,
,
в которых будем вычислять приближенное
решение. Точки
называются узлами интегрирования или
узлами сетки, расстояние
- шагом интегрирования или шагом сетки.
Сеточной обастью (сеткой) называется
савокупность всех узлов.
Для
характеристики точности численного
метода определяется погрешность
приближенного решения по формуле:

где

значение точного решения в узле сетки.
Существует
два класса методов для решения задачи

семейство одношаговых методов[15];
семейство многошаговых (m-шаговых) методов[15].
Определение
Численный
метод называется явным,
если вычисление решения в следующей
точке
осуществляется по явной формуле.
Метод
называется одношаговым,
если вычисление решения в следующей
точке
производится с использованием только
одного предыдущего значения
.
В дальнейшем будем рассматривать численные методы решения задачи Коши на примере уравнения первого порядка:

