《matlab微分》PPT课件.ppt

数学实验 ExperimentsinMathematics 微分方程 实验目的 实验内容 MATLAB 2 学会用Matlab求微分方程的数值解 实验软件 1 学会用Matlab求简单微分方程的解析解 1 求简单微分方程的解析解 4 实验作业 2 求微分方程的数值解 3 数学建模实例 求微分方程的数值解 一 常微分方程数值解的定义 二 建立数值解法的一些途径 三 用Matlab软件求常微分方程的数值解 返回 1 目标跟踪问题一 导弹追踪问题 2 目标跟踪问题二 慢跑者与狗 3 地中海鲨鱼问题 返回 数学建模实例 微分方程的解析解 ToMatlab ff1 结果 u tg t c 解输入命令 y dsolve D2y 4 Dy 29 y 0 y 0 0 Dy 0 15 x 结果为 y 3e 2xsin 5x ToMatlab ff2 解输入命令 x y z dsolve Dx 2 x 3 y 3 z Dy 4 x 5 y 3 z Dz 4 x 4 y 2 z t x simple x 将x化简y simple y z simple z 结果为 x c1 c2 c3 c2e 3t c3e 3t e2ty c1e 4t c2e 4t c2e 3t c3e 3t c1 c2 c3 e2tz c1e 4t c2e 4t c1 c2 c3 e2t ToMatlab ff3 返回 微分方程的数值解 一 常微分方程数值解的定义 在生产和科研中所处理的微分方程往往很复杂且大多得不出一般解 而在实际上对初值问题 一般是要求得到解在若干个点上满足规定精确度的近似值 或者得到一个满足精确度要求的便于计算的表达式 因此 研究常微分方程的数值解法是十分必要的 返回 二 建立数值解法的一些途径 1 用差商代替导数 若步长h较小 则有 故有公式 此即欧拉法 2 使用数值积分 对方程y f x y 两边由xi到xi 1积分 并利用梯形公式 有 实际应用时 与欧拉公式结合使用 此即改进的欧拉法 故有公式 3 使用泰勒公式 以此方法为基础 有龙格 库塔法 线性多步法等方法 4 数值公式的精度 当一个数值公式的截断误差可表示为O hk 1 时 k为正整数 h为步长 称它是一个k阶公式 k越大 则数值公式的精度越高 欧拉法是一阶公式 改进的欧拉法是二阶公式 龙格 库塔法有二阶公式和四阶公式 线性多步法有四阶阿达姆斯外插公式和内插公式 返回 三 用Matlab软件求常微分方程的数值解 t x solver f ts x0 options 1 在解n个未知函数的方程组时 x0和x均为n维向量 m 文件中的待解方程组应以x的分量形式写成 2 使用Matlab软件求数值解时 高阶微分方程必须等价地变换成一阶微分方程组 注意 解 令y1 x y2 y1 1 建立m 文件vdp1000 m如下 functiondy vdp1000 t y dy zeros 2 1 dy 1 y 2 dy 2 1000 1 y 1 2 y 2 y 1 2 取t0 0 tf 3000 输入命令 T Y ode15s vdp1000 03000 20 plot T Y 1 3 结果如图 ToMatlab ff4 解1 建立m 文件rigid m如下 functiondy rigid t y dy zeros 3 1 dy 1 y 2 y 3 dy 2 y 1 y 3 dy 3 0 51 y 1 y 2 2 取t0 0 tf 12 输入命令 T Y ode45 rigid 012 011 plot T Y 1 T Y 2 T Y 3 3 结果如图 ToMatlab ff5 图中 y1的图形为实线 y2的图形为 线 y3的图形为 线 返回 导弹追踪问题 设位于坐标原点的甲舰向位于x轴上点A 1 0 处的乙舰发射导弹 导弹头始终对准乙舰 如果乙舰以最大的速度v0 是常数 沿平行于y轴的直线行驶 导弹的速度是5v0 求导弹运行的曲线方程 又乙舰行驶多远时 导弹将它击中 解法一 解析法 由 1 2 消去t整理得模型 ToMatlab chase1 轨迹图见程序chase1 解法二 数值解 1 建立m 文件eq1 mfunctiondy eq1 x y dy zeros 2 1 dy 1 y 2 dy 2 1 5 sqrt 1 y 1 2 1 x 2 取x0 0 xf 0 9999 建立主程序ff6 m如下 x0 0 xf 0 9999 x y ode15s eq1 x0 xf 00 plot x y 1 b holdony 0 0 01 2 plot 1 y b 结论 导弹大致在 1 0 2 处击中乙舰 ToMatlab ff6 令y1 y y2 y1 将方程 3 化为一阶微分方程组 解法三 建立参数方程求数值解 设时刻t乙舰的坐标为 X t Y t 导弹的坐标为 x t y t 3 因乙舰以速度v0沿直线x 1运动 设v0 1 则w 5 X 1 Y t 4 解导弹运动轨迹的参数方程 建立m 文件eq2 m如下 functiondy eq2 t y dy zeros 2 1 dy 1 5 1 y 1 sqrt 1 y 1 2 t y 2 2 dy 2 5 t y 2 sqrt 1 y 1 2 t y 2 2 取t0 0 tf 2 建立主程序chase2 m如下 t y ode45 eq2 02 00 Y 0 0 01 2 plot 1 Y holdonplot y 1 y 2 ToMatlab chase2 5 结果见图1 导弹大致在 1 0 2 处击中乙舰 与前面的结论一致 图1 图2 返回 在chase2 m中 按二分法逐步修改tf 即分别取tf 1 0 5 0 25 直到tf 0 21时 得图2 结论 时刻t 0 21时 导弹在 1 0 21 处击中乙舰 ToMatlab chase2 慢跑者与狗 一个慢跑者在平面上沿椭圆以恒定的速率v 1跑步 设椭圆方程为 x 10 20cost y 20 5sint 突然有一只狗攻击他 这只狗从原点出发 以恒定速率w跑向慢跑者 狗的运动方向始终指向慢跑者 分别求出w 20 w 5时狗的运动轨迹 1 模型建立 设时刻t慢跑者的坐标为 X t Y t 狗的坐标为 x t y t 则X 10 20cost Y 20 15sint 狗从 0 0 出发 与导弹追踪问题类似 建立狗的运动轨迹的参数方程 2 模型求解 1 w 20时 建立m 文件eq3 m如下 functiondy eq3 t y dy zeros 2 1 dy 1 20 10 20 cos t y 1 sqrt 10 20 cos t y 1 2 20 15 sin t y 2 2 dy 2 20 20 15 sin t y 2 sqrt 10 20 cos t y 1 2 20 15 sin t y 2 2 取t0 0 tf 10 建立主程序chase3 m如下 t0 0 tf 10 t y ode45 eq3 t0tf 00 T 0 0 1 2 pi X 10 20 cos T Y 20 15 sin T plot X Y holdonplot y 1 y 2 在chase3 m 不断修改tf的值 分别取tf 5 2 5 3 5 至3 15时 狗刚好追上慢跑者 ToMatlab chase3 建立m 文件eq4 m如下 functiondy eq4 t y dy zeros 2 1 dy 1 5 10 20 cos t y 1 sqrt 10 20 cos t y 1 2 20 15 sin t y 2 2 dy 2 5 20 15 sin t y 2 sqrt 10 20 cos t y 1 2 20 15 sin t y 2 2 取t0 0 tf 10 建立主程序chase4 m如下 t0 0 tf 10 t y ode45 eq4 t0tf 00 T 0 0 1 2 pi X 10 20 cos T Y 20 15 sin T plot X Y holdonplot y 1 y 2 在chase3 m 不断修改tf的值 分别取tf 20 40 80 可以看出 狗永远追不上慢跑者 ToMatlab chase4 2 w 5时 返回 地中海鲨鱼问题 意大利生物学家Ancona曾致力于鱼类种群相互制约关系的研究 他从第一次世界大战期间 地中海各港口捕获的几种鱼类捕获量百分比的资料中 发现鲨鱼等的比例有明显增加 见下表 而供其捕食的食用鱼的百分比却明显下降 显然战争使捕鱼量下降 食用鱼增加 鲨鱼等也随之增加 但为何鲨鱼的比例大幅增加呢 他无法解释这个现象 于是求助于著名的意大利数学家V Volterra 希望建立一个食饵 捕食系统的数学模型 定量地回答这个问题 该模型反映了在没有人工捕获的自然环境中食饵与捕食者之间的制约关系 没有考虑食饵和捕食者自身的阻滞作用 是Volterra提出的最简单的模型 首先 建立m 文件shier m如下 functiondx shier t x dx zeros 2 1 dx 1 x 1 1 0 1 x 2 dx 2 x 2 0 5 0 02 x 1 其次 建立主程序shark m如下 t x ode45 shier 015 252 plot t x 1 t x 2 plot x 1 x 2 ToMatlab shark 求解结果 左图反映了x1 t 与x2 t 的关系 可以猜测 x1 t 与x2 t 都是周期函数 模型 二 考虑人工捕获 设表示捕获能力的系数为e 相当于食饵的自然增长率由r1降为r1 e 捕食者的死亡率由r2增为r2 e 设战前捕获能力系数e 0 3 战争中降为e 0 1 则战前与战争中的模型分别为 模型求解 1 分别用m 文件shier1 m和shier2 m定义上述两个方程 2 建立主程序shark1 m 求解两个方程 并画出两种情况下鲨鱼数在鱼类总数中所占比例x2 t x1 t x2 t ToMatlab shark1 实线为战前的鲨鱼比例 线为战争中的鲨鱼比例 结论 战争中鲨鱼的比例比战前高 返回 实验作业 1 一个小孩借助长度为a的硬棒 拉或推某玩具 此小孩沿某曲线行走 计算并画出玩具的轨迹 2 讨论资金积累 国民收入 与人口增长的关系 1 若国民平均收入x与按人口平均资金积累y成正比 说明仅当总资金积累的相对增长率k大于人口的相对增长率r时 国民平均收入才是增长的 2 作出k x 和r x 的示意图 分析人口激增会引起什么后果 实验报告要求