2018-05-31
Метод численного решения дифференциальных уравнений второго порядка
Методика получения численного решения дифф. уравнения второго порядка та же, что и для первого.
Отличие будет в ещё одном дополнительном члене итерации \(Y(x_{-1})\), о котором мы расскажем чуть ниже,
а пока решим следующее уравнение:
\[\ddot Y = f(x)\,Y + a \qquad (1)\]
Введём для лучшего восприятия такие упрощения: \(Y_i = Y(x_i), Y_{i-1} = Y(x_{i-1})\),
и представим уравнение в виде приближённых значений:
\[{{Y_i - Y_{i-1} \over \Delta x} - {Y_{i-1} - Y_{i-2} \over \Delta x} \over \Delta x} = {Y_i - 2Y_{i-1} + Y_{i-2} \over \Delta x^2} = f(x_i)\,Y_i + a \qquad (2)\]
Из него сразу же получаем решение:
\[Y_i = {2Y_{i-1} - Y_{i-2} + a\,\Delta x^2 \over 1 - f(x_i)\,\Delta x^2} \qquad (3)\]
Поскольку итерации начинаются с единицы, то
остаётся определиться с начальными членами \(Y_0\) и \(Y_{-1}\).
Из методики для дифф. уравнений первого порядка мы уже знаем, что \(Y_0 = Y(0)\), а вот со вторым членом разберёмся поподробнее.
В мат. анализе он представляется, как \(\dot Y(0)\), а для нашей методики это означает, что в виде приближённых значений он будет выглядеть так:
\[\dot Y(0) = {Y_{0} - Y_{-1} \over \Delta x} \qquad (4)\]
откуда получаем этот член:
\[Y_{-1} = Y_{0} - \dot Y(0)\,\Delta x = Y(0) - \dot Y(0)\,\Delta x \qquad (5)\]
Следовательно, в окончательном виде решение уравнения запишется так:
\[Y_i = {2Y_{i-1} - Y_{i-2} + a\,\Delta x^2 \over 1 - f(x_i)\,\Delta x^2}, \quad Y_0 = Y(0), \quad Y_{-1} = Y(0) - \dot Y(0)\,\Delta x \qquad (6)\]
На следующей странице приводится таблица оптимизированных алгоритмов для численного решения некоторых дифф. уравнений.