Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 10. Dwupunktowe problemy brzegowe (BVP, Boundary Value Problems)

Podobne dokumenty
Zaawansowane metody numeryczne Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 4. Równania różniczkowe zwyczajne podstawy teoretyczne

Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 1. Równania różniczkowe zwyczajne podstawy teoretyczne. P. F. Góra

Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 1. Równania różniczkowe zwyczajne podstawy teoretyczne. P. F. Góra

Zaawansowane metody numeryczne Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 7a. Metody wielokrokowe

Definicje i przykłady

Wstęp do metod numerycznych 14. Kilka wstępnych uwag na temat numerycznego rozwiazywania równań różniczkowych zwyczajnych

Analiza matematyczna i algebra liniowa Elementy równań różniczkowych

Zaawansowane metody numeryczne Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 5. Terminologia. Metody Eulera, metody punktu środkowego i metody trapezowe

Matematyka 2. Równania różniczkowe zwyczajne rzędu drugiego

Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 3. Metody Eulera, metody punktu środkowego i metody trapezowe

Biotechnologia, Chemia, Chemia Budowlana - Wydział Chemiczny - 1

Wykład 3 Równania rózniczkowe cd

Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 3. Metody Eulera, metody punktu środkowego i metody trapezowe

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 2

1.1 Przegląd wybranych równań i modeli fizycznych. , u x1 x 2

Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów o stałych współcz

5 Równania różniczkowe zwyczajne rzędu drugiego

Matematyka stosowana i metody numeryczne

Równania różniczkowe. Analiza Matematyczna. Aleksander Denisiuk

Wykład 14 i 15. Równania różniczkowe. Równanie o zmiennych rozdzielonych. Definicja 1. Równaniem różniczkowym zwyczajnym rzędu n nazywamy równanie

Układy równań i równania wyższych rzędów

5. Równania różniczkowe zwyczajne pierwszego rzędu

Wstęp do metod numerycznych Uwarunkowanie Eliminacja Gaussa. P. F. Góra

ROZWIĄZYWANIE RÓWNAŃ NIELINIOWYCH

Równania różniczkowe liniowe rzędu pierwszego

Wstęp do równań różniczkowych

27. RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE CZĄSTKOWE

Wstęp do metod numerycznych 9a. Układy równań algebraicznych. P. F. Góra

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 1

Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 2. O tym, co można rozwiazać analitycznie. P. F. Góra

Zagadnienia brzegowe dla równań eliptycznych

Metody numeryczne równań różniczkowych zwyczajnych

Kinematyka: opis ruchu

Równanie przewodnictwa cieplnego (I)

Metoda Różnic Skończonych (MRS)

Wstęp do równań różniczkowych

Analiza matematyczna dla informatyków 3 Zajęcia 14

13. Równania różniczkowe - portrety fazowe

2. Kombinacja liniowa rozwiązań zeruje się w pewnym punkcie wtedy i tylko wtedy, gdy zeruje się w każdym punkcie.

FUNKCJA KWADRATOWA. 1. Definicje i przydatne wzory. lub trójmianem kwadratowym nazywamy funkcję postaci: f(x) = ax 2 + bx + c

Tydzień nr 9-10 (16 maja - 29 maja), Równania różniczkowe, wartości własne, funkcja wykładnicza od operatora - Matematyka II 2010/2011L

Opis systemów dynamicznych w przestrzeni stanu. Wojciech Kurek , Gdańsk

III. Układy liniowe równań różniczkowych. 1. Pojęcie stabilności rozwiązań.

Zadania do wykładu Jakościowa Teoria Równań Różniczkowych Zwyczajnych

ANALIZA MATEMATYCZNA Z ELEMENTAMI STATYSTYKI MATEMATYCZNEJ

Wstęp do metod numerycznych Rozwiazywanie równań algebraicznych. P. F. Góra

Z52: Algebra liniowa Zagadnienie: Zastosowania algebry liniowej Zadanie: Operatory różniczkowania, zagadnienie brzegowe.

II. Równania autonomiczne. 1. Podstawowe pojęcia.

11 Równania różniczkowe cząstkowe. Równania różniczkowe cząstkowe pierwszego rzędu.

1 Równania różniczkowe zwyczajne o rozdzielonych zmiennych

Równania różniczkowe wyższych rzędów

Metoda rozdzielania zmiennych

Wstęp do metod numerycznych Faktoryzacja QR i SVD. P. F. Góra

Zagdanienia do egzaminu z Inżynierskich Metod Numerycznych - semestr 1

1 Równania różniczkowe zwyczajne

Wstęp do metod numerycznych Eliminacja Gaussa Równania macierzowe. P. F. Góra

1 Metody rozwiązywania równań nieliniowych. Postawienie problemu

Równania różniczkowe. Lista nr 2. Literatura: N.M. Matwiejew, Metody całkowania równań różniczkowych zwyczajnych.

Równania różniczkowe liniowe II rzędu

UKŁADY ALGEBRAICZNYCH RÓWNAŃ LINIOWYCH

Numeryczne rozwiązywanie równań różniczkowych ( )

Równania różniczkowe wyższych rzędów

P. F. Góra semestr letni 2006/07

Równania różniczkowe zwyczajne analityczne metody rozwiazywania

Równania różniczkowe cząstkowe drugiego rzędu

1 Szeregi potęgowe. 1.1 Promień zbieżności szeregu potęgowego. Wydział Informatyki, KONWERSATORIUM Z MATEMATYKI, 2008/2009.

IX. Rachunek różniczkowy funkcji wielu zmiennych. 1. Funkcja dwóch i trzech zmiennych - pojęcia podstawowe. - funkcja dwóch zmiennych,

Zaawansowane metody numeryczne Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 8. Metody wielokrokowe Metody Verleta

Podstawy robotyki wykład V. Jakobian manipulatora. Osobliwości

III. RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE

13 Równanie struny drgającej. Równanie przewodnictwa ciepła.

Wykład z równań różnicowych

2 Równania różniczkowe zwyczajne o rozdzielonych zmiennych

Programowanie celowe #1

Metoda eliminacji Gaussa. Autorzy: Michał Góra

INTERPOLACJA I APROKSYMACJA FUNKCJI

Metody numeryczne rozwiązywania równań różniczkowych

VII. Elementy teorii stabilności. Funkcja Lapunowa. 1. Stabilność w sensie Lapunowa.

Metody przybliżonego rozwiązywania równań różniczkowych zwyczajnych

UKŁADY ALGEBRAICZNYCH RÓWNAŃ LINIOWYCH

Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 6. Metoda diagramowa. Obszary stabilności. P. F. Góra

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE. Wiele obiektywnych prawidłowości przyrodniczych udaje się zapisać w postaci równości formalnej

Równania różniczkowe. Notatki z wykładu.

Analiza numeryczna Kurs INP002009W. Wykład 8 Interpolacja wielomianowa. Karol Tarnowski A-1 p.223

KADD Minimalizacja funkcji

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE. Marta Zelmańska

Równania różniczkowe. Równania różniczkowe zwyczajne rzędun,n 2. Małgorzata Wyrwas. Katedra Matematyki Wydział Informatyki Politechnika Białostocka

Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 6. Metody wielokrokowe. P. F. Góra

ROZWIĄZANIA I ODPOWIEDZI

ELEMENTY ANALIZY NUMERYCZNEJ ELEMENTY ANALIZY NUMERYCZNEJ. Egzamin pisemny zestaw 1 26 czerwca 2017 roku

Obliczenia naukowe Wykład nr 6

Matematyka licea ogólnokształcące, technika

RÓŻNICZKOWANIE FUNKCJI WIELU ZMIENNYCH: rachunek pochodnych dla funkcji wektorowych. Pochodne cząstkowe funkcji rzeczywistej wielu zmiennych

Wybrane metody przybliżonego. wyznaczania rozwiązań (pierwiastków) równań nieliniowych

Metody numeryczne I Równania nieliniowe

UKŁADY RÓWNAŃ LINIOWYCH

Wykład z równań różnicowych

Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 5. Metody Rungego-Kutty (II) P. F. Góra

Temat wykładu: Równania różniczkowe. Anna Rajfura, Matematyka na kierunku Biologia w SGGW 1

13. Równania różniczkowe - rozwiązywanie

Transkrypt:

Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 10. Dwupunktowe problemy brzegowe (BVP, Boundary Value Problems) P. F. Góra http://th-www.if.uj.edu.pl/zfs/gora/ semestr letni 2007/08

Wprowadzenie Rozważmy równanie różniczkowe dy = f(x, y), (1) dx gdzie y, f R n, n 2. Rozwiazanie równania (1) zależy od n stałych wyznaczanych z warunków, jakie spełniać musi poszukiwana funkcja y. Na Wykładzie 4 powiedzieliśmy, że jeśli wszystkie te warunki zadane sa w jednym punkcie, równanie (1) wraz z warunkami narzuconymi na funkcję, nazywa się problemem poczatkowym czyli problemem Cauchy ego. A jeśli warunki nie sa zadane w jednym punkcie? 10. Dwupunktowe problemy brzegowe 2

Dwupunktowe problemy brzegowe W praktyce dość często występuja sytuacje, w których warunki zadane sa w dwu punktach na poczatku i na końcu przedziału, w którym poszukujemy rozwiazania. Oznaczmy ten przedział przez [0, b]. Warunki, które zadajemy, maja jedna z trzech postaci: postać ogólna: g(y(0), y(b)) = 0, (2a) warunki liniowe: B 0 y(0) + B b y(b) = b, (2b) rozsepa- y 1 (0) = ȳ 1, y 2 (0) = ȳ 2,..., y k (0) = ȳ k, (2c) rowane: y k+1 (b) = ȳ k+1,..., y n (b) = ȳ n, 1 < k < n. B 0, B b sa stałymi macierzami, b jest stałym wektorem. Warunek w postaci (2c) jest szczególna postacia (2b), który jest szczególna postacia (2a). Równanie (1) wraz z jednym z warunków (2) nazywam dwupunktowym problemem brzegowym dla równania różniczkowego zwyczajnego. 10. Dwupunktowe problemy brzegowe 3

Przykład 1: Znaleźć y(t) spełniajace ÿ + y = 0, (3) y(0) = 0, y(b) = 1/2. ( Rozwiazaniem jest y(t) = sin t 2 sin b. ) Przykład 2: Równanie struny: (p(t)u ) + q(t)u = r(t), (4) u(0) = 0, u (b) = 0. 10. Dwupunktowe problemy brzegowe 4

BVP może nie mieć rozwiazania Przykład 3 ODE z separatrysa: 2 1.5 y(x) 1 0.5 0 0 1 2 3 4 5 x 10. Dwupunktowe problemy brzegowe 5

BVP może mieć niejednoznaczne rozwiazanie Przykład 4: Problem u + e u+1 = 0, (5) u(0) = u(1) = 0, ma dwa rozwiazania dane przez gdzie θ spełnia u(t) = 2 ln { cosh [(t 1/2)θ/2] cosh(θ/4) θ = 2e cosh(θ/4). }, (6a) (6b) 10. Dwupunktowe problemy brzegowe 6

16 14 12 (2e) 1/2 cosh(τ/4) 10 8 6 4 2 0 0 2 4 6 8 10 τ 10. Dwupunktowe problemy brzegowe 7

Twierdzenia o istnieniu i jednoznaczności rozwiazań BVP...... w ogólności nie sa znane. Znane jest tylko twierdzenie o istnieniu i jednoznaczności rozwiazań liniowego BVP z liniowymi warunkami brzegowymi: Równanie dy = A(x)y + q(x) (7) dx wraz z warunkami brzegowymi postaci (2b) ma rozwiazanie, które jest przy tym jednoznaczne, wtedy i tylko wtedy, gdy A, q sa ciagłe oraz gdy macierz Q = B 0 + B b Y(b), jest nieosobliwa, przy czym macierz Y(x) spełnia z warunkiem Y(0) = I. dy dx = A(x)Y, (8a) (8b) 10. Dwupunktowe problemy brzegowe 8

Stabilność BVP Testowy problem Cauchy ego dy 1 dx = λy 1, y 1 (0) = 1, (9) jest stabilny gdy λ > 0. Dokonajmy w (9) zmiany zmiennych: τ = b x, y 2 (τ) y 1 (b x). Wówczas d/dx d/dτ, 0 b. Otrzymujemy dy 2 dτ = λy 2, y 2 (b) = 1. (10) Równanie (10) jest tożsamościowo równoważne równaniu (9) i także jest stabilne dla λ > 0. Równanie (10) odpowiada propagacji wstecz w czasie. O ile (9) jest problemem poczatkowym, (10) jest problemem końcowym. 10. Dwupunktowe problemy brzegowe 9

Jeśli zapisać (9), (10) łacznie, otrzymujemy następujacy problem brzegowy o rozseparowanych warunkach: [ y 1 y 2 ] = [ λ 0 0 λ ] [ y1 y 2 y 1 (0) = 1, y 2 (b) = 1. ], (11) Z poprzedniej dyskusji widać, iż (11) jest, jako BVP, stabilny. Widzimy jednak, iż równanie różniczkowe w (11) zawiera mody stabilne przy propagacji w przód oraz inne mody stabilne przy propagacji wstecz w czasie. 10. Dwupunktowe problemy brzegowe 10

Metoda strzelania najprostszy przypadek Rozważmy na poczatek równanie (1) z n = 2 oraz rozseparowanymi warunkami brzegowymi (2c): dy dx = f(x, y), (12a) y 1 (0) = y (1), (12b) y 2 (b) = y (b). (12c) Równanie (12c) ma postać warunku końcowego. Aby móc numerycznie rozwiazać problem (12), zamieniamy warunek końcowy na warunek poczatkowy. Mamy zatem 10. Dwupunktowe problemy brzegowe 11

dy dx = f(x, y), (13a) y 1 (0) = y (1), (13b) y 2 (0) = c, (13c) gdzie c przyjmujemy na poczatku w sposób (prawie) dowolny. Teraz, przy ustalonym c, rozwiazujemy numerycznie problem Cauchy ego (13). Rozwia- zanie numeryczne daje nam y 2 (b) = ỹ (b) 2. Oczywiście ỹ(b) 2 jest funkcja c, ỹ (b) 2 = ỹ (b) 2 (c). Rozwiazanie numeryczne spełnia warunek poczatkowy (12b). Żadamy, aby także warunek końcowy (12c) był spełniony: ỹ (b) 2 (c) = y(b) 2. (14) 10. Dwupunktowe problemy brzegowe 12

(14) jest równaniem algebraicznym na warunek poczatkowy c metoda strzelania oznacza konieczność rozwiazania tego równania algebraicznego. Zauważmy, że każdorazowe obliczenie lewej strony równania (14), oznacza konieczność numerycznego rozwiazania problemu Cauchy ego (13). Podkreślam, że równanie to trzeba rozwiazać za pomoca odpowiedniej metody numerycznej dosłowne strzelanie, czyli dobieranie c na chybił-trafił, na ogół przynosi kiepskie rezultaty. Gdyby trzeba było uzupełniać więcej warunków poczatkowych (dla n > 2), zamiast równania (14) otrzymujemy układ równań algebraicznych. Można go prosto rozwiazywać metodami nie wymagajacymi obliczania pochodnej lewej strony, a zatem nie wielowymiarowa metoda Newtona. Użycie metody Newtona może przyspieszyć zbieżność, wymaga to jednak dodatkowej analizy teoretycznej patrz niżej. 10. Dwupunktowe problemy brzegowe 13

Przykład Rozważmy BVP dy = y + xz, (15a) dx dz = y 3z, (15b) dx y(0) = 1, (15c) z(1) = 1. (15d) Metoda strzelania polega na zastapieniu warunku (15d) przez warunek z(0) = z 0 i numerycznym rozwiazaniu powstałego problemu Cauchy ego. Liczbę z 0 staram się dobrać tak, aby obliczona numerycznie wartość z(1) spełniała (15d). 10. Dwupunktowe problemy brzegowe 14

Wyniki metody strzelania dla problemu (15) klasyczna czterokrokowa metoda Rungego-Kutty, h = 1/512 30 25 20 15 10 z(0) = 1.0 z(0) = 0.0 z(0) = -1.0 z(0) = -0.1968 30 25 20 15 10 z(x) 5 z(1)-1 5 0 0-5 -5-10 -10-15 -15-20 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 x -20-1 -0.8-0.6-0.4-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 z(0) 10. Dwupunktowe problemy brzegowe 15