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文档简介
1、龙格-库塔法,什么叫平均斜率?,对差商 应用微分中值定理,有,,利用微分方程 ,有,这里的 称为平均斜率。,可将改进的欧拉格式改写成,的算术平均值作为平均斜率。,该公式可以看作是用 和 两个点处的斜率 和,由改进型欧拉公式我们可以猜想,如果在,内多预测几个点的斜率,再对他们进行加权平均,,可能得到精度更好的平均斜率!,下面以2阶龙格-库塔方法为例来阐述这种思想,考察区间 上的一点 ,,用 和 的斜率 和 的加权平均作为平均,斜率 的近似值:,即取,其中 和 是待定常数。若取 ,则,问题在于如何确定 处的斜率 和常数 和 。,仿照改进的欧拉方法,用欧拉方法预测 的值,,并用它来估计斜率 :,于是
2、得到如下形式的算法:,通过适当选取参数 和 的值,使得公式具有,2阶精度!,由泰勒公式展开,要使公式具有 2 阶精度,只需,方程组有无穷多解:二级方法有无穷多种,常见的3种二级方法:, 中点法(修正的Euler法),取, 二阶龙格库塔方法,取,三级方法:N = 3,类似于N = 2的推导方法,可得到,常见的2种三阶方法:, 库塔三阶方法, 四级方法:N = 4,局部截断误差,常见的2种四阶方法:,经典龙格-库塔方法,解:,经典的四阶龙格-库塔公式:,同保留5位的精确值完全一致:,二、高阶和隐式Runge-Kutta方法,注:对于显式N级R-K方法,最多只能得到N级方法;,已经证明N级R-K方法
3、的阶 具有下列关系:,若要得到N阶以上方法,则使用N级隐式R-K方法,N级隐式R-K方法的一般形式:,(1)一级二阶的隐式中点方法:,(2)二级四阶的隐式R-K方法:,三、变步长方法,基本思想:根据精度自动地选择步长,对于经典Runge-Kutta方法:,Step1:设从 出发,以 为步长,经过一步计算得到,Step2:取 为步长,再从 出发,经过两步计算得到,一、收敛性 /*Convergence*/,3 单步法的收敛性、相容性和绝对稳定性,类似地可以定义隐式单步法、多步法(4)的收敛性,证明:,记,由截断误差的定义,因为单步法是 阶的:,满足,其中,二、相容性 /*Consistency*
4、/,对于 阶方法:,设方法(*)与初值问题(*)相容,且 满足L-条件,,则该方法(*)是收敛的,即当 固定, 时,再由相容性得:,本章讨论的数值方法都是与原初值问题相容的,三、绝对稳定性 /*Absolute Stibility*/,计算过程中产生的舍入误差对计算结果的影响,首先以Euler公式为例,来讨论一下舍入误差的传播:,例如:,对于初值问题,精确解为,而实际求解的初值问题为,精确解为,在 处的误差为,如果初值问题为,精确解为,实际求解的初值问题为,精确解为,在 处的误差为,若单步法是 阶的,则,由实验方程可得:,例3:分别求Euler法和经典的R-K法的绝对稳定区间。,解:, Euler公式:,将其应用于实验方程,绝对稳定域:,当 时,,绝对稳定区间:,经典的R-K公式:,当 时,,可以证明: 存在
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