1.2 Метод Эйлера
Метод Эйлера для решения начальной задачи (2.1.1) был описан Эйлером в 1768 году. Этот метод весьма прост. Его глобальная погрешность имеет вид , где - постоянная, зависящая от задачи, и - максимальная длина шага. Если желательно, скажем, получить 6 точных десятичных знаков, то требуется, следовательно, порядка миллиона шагов, что не слишком удовлетворительно. С другой стороны, еще со времен Ньютона известно, что можно найти гораздо более точные методы, если не зависит от , то есть если мы имеем задачу (2.1.1), решаемую квадратурой
. (2.2.1)
В качестве примера можно рассмотреть первую квадратурную формулу Гаусса, также называемую «правилом средней точки»:
(2.2.2)
где и - граничные точки подинтервалов, на которые разбит интервал интегрирования. Известно, что оценка глобальной погрешности этой формулы имеет вид . Таким образом, если желаемая точность составляет 6 десятичных знаков, ее обычно можно получить приблизительно за 1000 шагов, то есть этот метод в тысячу раз быстрее. Поэтому Рунге поставил следующий вопрос: нельзя ли распространить этот метод на исходную задачу Коши? Первый шаг длины должен иметь вид
. (2.2.3)
Но какое значение взять для ? За неимение лучшего естественно использовать один малый шаг метода Эйлера длины . Тогда из предыдущей формулы получим:
(2.2.4)
Решающим обстоятельством здесь является умножение в третьем выражении на , в результате чего влияние погрешности становится менее существенным. Точнее, вычислим для разложение Тейлора по степеням :
(2.2.5)
Его можно сравнить с рядом Тейлора для точного решения, который получается из того, что путем повторного дифференцирования с заменой на каждый раз, когда оно появляется:
(2.2.6)
Вычитая из последнего равенства предыдущее, получим для погрешности первого шага выражение
(2.2.7)
Таким образом, если все частные производные второго порядка ограничены, то
.
Чтобы получить приближенное значение решения исходной задачи в конечной точке , будем применять формулы (2.2.4) последовательно к интервалам . Приведенные выше формулы являются усовершенствованным методом Эйлера. Для вычислений с высокой точностью, однако, следует пользоваться другими методами, одним из которых как раз является метод Рунге-Кутты.
- Введение
- 1. Теоретическая часть
- 1.1 Постановка задачи
- 1.2 Метод Эйлера
- 1.3 Общая формулировка методов Рунге-Кутты
- 1.4 Обсуждение методов порядка 4
- 1.5 «Оптимальные» формулы
- 1.6 Условия порядков для методов Рунге-Кутты
- 1.7 Оценка погрешности и сходимость методов Рунге-Кутты
- 1.7.1 Строгие оценки погрешности
- 1.7.2 Главный член погрешности
- 1.7.3 Оценка глобальной погрешности
- 1.8 Оптимальный выбор шага
- 2. Практическая часть
- 2.1 Описание программы «Ilya RK-4 версия 1.43»
- Заключение
- Методы Рунге — Кутта
- Методы Эйлера и Рунге-Кутта решения задачи Коши
- 10.2.1. Метод Рунге-Кутты-Мерсона
- Решение системы оду методом Рунге-Кутта с автоматическим выбором шага интегрирования (Rkadapt)
- 5.3. Решение системы оду методом Рунге-Кутта с автоматическим выбором шага интегрирования (Rkadapt).
- 5.2. Метод Рунге-Кутта четвертого порядка
- 4.4. Выбор шага интегрирования
- 2.4.3. Метод Рунге-Кутта четвертого порядка