Differenciálegyenletek numerikus integrálása április 9.

Hasonló dokumentumok
Differenciálegyenletek. Vajda István március 4.

Meghatározás: Olyan egyenlet, amely a független változók mellett tartalmaz egy vagy több függvényt és azok deriváltjait.

Matematika III. harmadik előadás

Differenciálegyenletek

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

Feladatok a Diffrenciálegyenletek IV témakörhöz. 1. Határozzuk meg következő differenciálegyenletek általános megoldását a próba függvény módszerrel.

Lagrange egyenletek. Úgy a virtuális munka mint a D Alembert-elv gyakorlati alkalmazását

Differenciálegyenletek december 13.

Numerikus integrálás április 20.

Matematika II. 1 sin xdx =, 1 cos xdx =, 1 + x 2 dx =

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

Simított részecskedinamika Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)

Közönséges differenciálegyenletek megoldása Mapleben

Numerikus integrálás április 18.

Elhangzott gyakorlati tananyag óránkénti bontásban. Mindkét csoport. Rövidítve.

Differenciálegyenletek numerikus megoldása

Fizika 1 Mechanika órai feladatok megoldása 7. hét

Diszkréten mintavételezett függvények

Matematika II képletek. 1 sin xdx =, cos 2 x dx = sh 2 x dx = 1 + x 2 dx = 1 x. cos xdx =,

sin x = cos x =? sin x = dx =? dx = cos x =? g) Adja meg a helyettesítéses integrálás szabályát határozott integrálokra vonatkozóan!

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA II.

1. Számsorok, hatványsorok, Taylor-sor, Fourier-sor

valós számot tartalmaz, mert az ilyen részhalmazon nem azonosság.

DINAMIKAI VIZSGÁLAT ÁLLAPOTTÉRBEN Dr. Aradi Petra, Dr. Niedermayer Péter: Rendszertechnika segédlet 1

Molekuláris dinamika I. 10. előadás

A Hamilton-Jacobi-egyenlet

A mechanika alapjai. A pontszerű testek dinamikája

Geometriai vagy kinematikai természetű feltételek: kötések vagy. kényszerek. 1. Egy apró korong egy mozdulatlan lejtőn vagy egy gömb belső

JPTE PMMFK Levelező-távoktatás, villamosmérnök szak

MATLAB. 8. gyakorlat. Differenciálegyenletek

Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba. Gyakorlat Differenciálegyenletek

PTE PMMFK Levelező-távoktatás, villamosmérnök szak

0-49 pont: elégtelen, pont: elégséges, pont: közepes, pont: jó, pont: jeles

Infobionika ROBOTIKA. XI. Előadás. Robot manipulátorok III. Differenciális kinematika. Készült a HEFOP P /1.0 projekt keretében

Elhangzott tananyag óránkénti bontásban

BIOMATEMATIKA ELŐADÁS

Matematikai háttér. 3. Fejezet. A matematika hozzászoktatja a szemünket ahhoz, hogy tisztán és világosan lássa az igazságot.

11. gyakorlat megoldásai

Normák, kondíciószám

HÁZI FELADATOK. 2. félév. 1. konferencia Komplex számok

Megoldott feladatok november 30. n+3 szigorúan monoton csökken, 5. n+3. lim a n = lim. n+3 = 2n+3 n+4 2n+1

I. Fejezetek a klasszikus analízisből 3

Numerikus módszerek. 9. előadás

x 2 e x dx c) (3x 2 2x)e 2x dx x sin x dx f) x cosxdx (1 x 2 )(sin 2x 2 cos 3x) dx e 2x cos x dx k) e x sin x cosxdx x ln x dx n) (2x + 1) ln 2 x dx

2. REZGÉSEK Harmonikus rezgések: 2.2. Csillapított rezgések

Utolsó el adás. Wettl Ferenc BME Algebra Tanszék, Wettl Ferenc (BME) Utolsó el adás / 20

11. gyakorlat megoldásai

A mikroskálájú modellek turbulencia peremfeltételeiről

Lagrange és Hamilton mechanika

Tárgymutató. dinamika, 5 dinamikai rendszer, 4 végtelen sok állapotú, dinamikai törvény, 5 dinamikai törvények, 12 divergencia,

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 4. (b) Kvantummechanika. Utolsó módosítás: november 9. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

1.9. B - SPLINEOK B - SPLINEOK EGZISZTENCIÁJA. numerikus analízis ii. 34. [ a, b] - n legfeljebb n darab gyöke lehet. = r (m 1) n = r m + n 1

Végeselem modellezés alapjai 1. óra

Alap-ötlet: Karl Friedrich Gauss ( ) valószínűségszámítási háttér: Andrej Markov ( )

Differenciál egyenletek (rövid áttekintés)

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA II.

r a sugara, h a magassága a hengernek a maximalizálandó függvényünk a V (r, h) = πr 2 h. Az érintkezési pontokban x 2 + y 2 = r 2 és z = h/2.

, illetve. f = b, ahol f a keresett (ismeretlen) függvény és a DE rendjét az egyenletben szereplő legmagasabb derivált ( f ) határozza meg.

A brachistochron probléma megoldása

Hurokegyenlet alakja, ha az áram irányával megegyező feszültségeséseket tekintjük pozitívnak:

Differenciálegyenletek

1. Az előző előadás anyaga

ODE SOLVER-ek használata a MATLAB-ban

cos 2 (2x) 1 dx c) sin(2x)dx c) cos(3x)dx π 4 cos(2x) dx c) 5sin 2 (x)cos(x)dx x3 5 x 4 +11dx arctg 11 (2x) 4x 2 +1 π 4

Lineáris algebra numerikus módszerei

Baran Ágnes, Burai Pál, Noszály Csaba. Gyakorlat Differenciálegyenletek numerikus megoldása

6. A Lagrange-formalizmus

2 (j) f(x) dx = 1 arcsin(3x 2) + C. (d) A x + Bx + C 5x (2x 2 + 7) + Hx + I. 2 2x F x + G. x

mérlegegyenlet. ϕ - valamely SKALÁR additív (extenzív) mennyiség térfogati

Molekuláris dinamika. 10. előadás

Előszó.. Bevezetés. 1. A fizikai megismerés alapjai Tér is idő. Hosszúság- és időmérés.

Matematika szigorlat június 17. Neptun kód:

3. Lineáris differenciálegyenletek

Szélsőérték-számítás

Folytonos rendszeregyenletek megoldása. 1. Folytonos idejű (FI) rendszeregyenlet általános alakja

Tartalomjegyzék. A mechanika elvei. A virtuális munka elve. A TételWiki wikiből 1 / 6

Runge-Kutta módszerek

Lássuk be, hogy nem lehet a három pontot úgy elhelyezni, hogy egy inerciarendszerben

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA II.

Hajlított tartó elmozdulásmez jének meghatározása Ritz-módszerrel

V. Differenciálegyenletek

Differenciálegyenletek

YBL - SGYMMAT2012XA Matematika II.

Analízis III. gyakorlat október

Matematika A3 1. ZH+megoldás

Lendület. Lendület (impulzus): A test tömegének és sebességének szorzata. vektormennyiség: iránya a sebesség vektor iránya.

6. Differenciálegyenletek

PÉLDÁK ERŐTÖRVÉNYEKRE

SCHRÖDINGER-EGYENLET SCHRÖDINGER-EGYENLET

Szerkezetek numerikus modellezése az építőmérnöki gyakorlatban

Kozmológiai n-test-szimulációk

Az alábbi fogalmak és törvények jelentését/értelmezését/matematikai alakját (megfelelő mélységben) ismerni kell: Newtoni mechanika

Az elméleti mechanika alapjai

Matematika szigorlat, Mérnök informatikus szak I máj. 12. Név: Nept. kód: Idő: 1. f. 2. f. 3. f. 4. f. 5. f. 6. f. Össz.: Oszt.

ANALÍZIS II. Példatár

Konjugált gradiens módszer

Részletes tantárgyprogram és követelményrendszer

Ipari matematika 2. gyakorlófeladatok

Differenciaegyenletek a differenciálegyenletek

Az előadásokon ténylegesen elhangzottak rövid leírása

Átírás:

Differenciálegyenletek numerikus integrálása 2018. április 9.

Differenciálegyenletek Olyan egyenletek, ahol a megoldást függvény alakjában keressük az egyenletben a függvény és deriváltjai szerepelnek adottak még kezdeti feltételek és határfeltételek Példa: leejtett kő mozgásegyenlete Kezdeti feltételek: x(t = 0) = x 0 d 2 x(t) dt 2 = F m dx dt = v 0 t=0

Tipikus fizikai problémák n-test szimulációk (csillagászat) molekuladinamika (kölcsönható részecskék) hővezetés hidrodinamika (turbulens áramlások) magnetohidrodinamika (csillagmodellek, plazmafizika) gravitációs hullámok molekulapályák számítása (időfüggetlen Schrödinger-egyenlet) stb.

Példa egyszerű egyenlet megoldására Az előbbi egyszerű mozgásegyenletet kétszer integrálva dt szerint: d 2 x(t) dt 2 = F m dx(t) dt = F m t + v 0 x(t) = F 2m t2 + v 0 t + x 0

Differenciálegyenletek csoportosítása Változók száma szerint közönséges: egyváltozós, az x = x(t) megoldás csak t-től függ parciális differenciálegyenlet: többváltozós ilyenkor parciális deriváltak is szerepelnek Lineáris vagy nem lineáris lineáris: ha az x(t) és deriváltjai mind első rendben szerepelnek nem lineáris: az x(t) vagy deriváltjai magasabb hatványon A differenciálegyenlet rendje az a legmagasabb derivált, ami szerepel az egyenletben minden magasabb rendű differenciálegyenlet átírható többváltozós csatolt elsőrendű egyenletek rendszerére

Közönséges vs. parciális differenciálegyenlet Közönséges: a keresett függvénynek csak egy változója van Ebben a példában x = x(t) időfüggő m d2 x(t) dt 2 = kx(t) Parciális: a keresett függvénynek több változója is van az egyenletben szerepelnek a parciális deriváltak is Most a φ = φ(x, t) függvény hely és időfüggő is φ(x, t) t = D 2 φ(x, t) x 2

Lineáris vs. nem lineáris differenciálegyenlet A tananyagban általában lineáris differenciálegyenletek fordulnak elő, de pl. a folyadékáramlás vagy az általános relativitáselmélet egyenletei nem azok. (Nem is nagyon lehet őket általános esetben megoldani.) Lineáris differenciálegyenlet, példa: harmonikus oszcillátor Bár szerepel második derivált, minden derivált lineáris m d2 x(t) dt 2 = kx(t) Nem lineáris differenciálegyenlet Példa: Navier Stokes-egyenletek ( ) v ρ t + v v = p

Elsőrendű vs. magasabb rendű differenciálegyenlet Az első rendű egyenletben legfeljebb első rendű derivált szerepel Példa: az I = I (x) fényintenzitás csökkenése fényelnyelő közegben: di (x) dx = kx A dinamikai törvények többsége lineáris másodrendű differenciálegyenlet Példa: ismét a harmonikus oszcillátor m d2 x(t) dt 2 = kx(t)

Differenciálegyenletek rendszere Ha egyszerre több ismeretlen függvényünk is van, és ezekre több egyenletünk, akkor az egy differenciálegyenlet-rendszer. az egyenletek ugyanazoktól a változóktól függnek Az egyenletrendszer általában csatolt ugyanaz a függvény több egyenletben is szerepel, pl: dy(t) dt dz(t) dt = z(t) = t t 2 z(t)

Másodrendű lineáris egyenletek átírása Másodrendű (vagy akár magasabb rendű) egyenletek numerikus megoldása általában nem probléma, ha az egyenlet maga lineáris. Megoldás menete: átírjuk az egyenletet elsőrendű egyenletek rendszerére, és azokat párhuzamosan integráljuk. Példa: rugó egyenlete d 2 x(t) dt 2 = k x(t) m Átírva: dv(t) dt dx(t) dt = k x(t) m = v(t)

Differenciálegyenletek numerikus megoldása Lineáris egyenletek analitikus megoldásakor a homogén egyenlet megoldása az általános megoldás a konkrét kezdeti feltételeket megkövetelve partikuláris megoldást kapunk Numerikus integráláskor majdnem mindig csak partikuláris megoldást adunk a függvény értékeit csak diszkrét helyeken adjuk meg bízunk abban, hogy ez nagyon hasonĺıt az analitikus megoldáshoz Mi csak közönséges kezdeti érték problémákat fogunk nézni.

Térbeli határfeltételek A végtelen fázisteret általában nem szimuláljuk a fizikai folyamatok valamilyen dobozba vannak zárva a doboz falán van valamilyen határfeltétel Példa: molekuladinamika mi történik a részecskével a doboz falán? rugalmasan visszapattan kimegy az egyik oldalon és bejön a másikon ezt periodikus határfeltételnek hívjuk a nagyon nagy vagy végtelen teret szimulálja A határfeltétel parciális differenciálegyenleteknél bonyolult.

Közönséges első rendű egyenletek rendszere Az általános probléma: N darab egyenlet rendszere dy i (x) dx = f i (x, y 1, y 2,..., y N ) az f i függvények tetszőlegesek, de nem tartalmazzák az y i -k deriváltjait. kezdeti feltételek: y i (x = x (0) ) = y (0) i A továbbiakban az i indexet elhagyjuk, és y-t mindig vektornak tételezzük fel.

Kezdeti- és peremfeltételek Általában a keresett függvények értékei a kiindulási pontban vannak megadva ez persze nem mindig van így lehet, hogy a kezdeti és végpont is adott vagy nem azonos időpontban adottak a kezdeti paraméterek Példák: kisbolygók pozícióját eltérő időpontokban sikerült csak meghatározni, integrálni kell a pályájukat ismerjük a részecske kezdőpontját és a végpontbeli sebességét, meg kell határozni a pályáját

Az Euler-módszer Ötlet: kezeljük a problémát iteratívan írjük át a dx differenciálokat véges x differenciákra a x lépéshosszt általában h-val jelöljük léptessük a változók értékét diszkrét lépésekben az összes változót egyszerre! y n+1 = y n + h f (x n, y n ) Eközben a független változó is lép: x n+1 = x n + h Ez az ún. Euler-módszer nem jó módszer még akkor sem, ha a lépéseket nagyon picire vesszük

Az Euler-módszer hibája Az Euler-módszer esetében a deriváltak értékét mindig a lépés elején vesszük ha a derivált a lépés során túl gyorsan változik, akkor a lépésnek lesz valamekkora hibája idővel nagy lesz az eltérés az analitikus megoldástól az Euler-módszer hibája ugyan O(h 2 ) viszont a lépések számával a hiba felösszegződik ha a lépést felére csökkentjük, a hiba a negyedére csökken, de kétszer több lépésre van szükség

v

1.5 1.0 0.5 0.0-0.5-1.0 dt = 0.01-1.5 0 5 10 15 20 25 30 35 40

1.5 1.0 0.5 0.0-0.5-1.0 dt = 0.001-1.5 0 5 10 15 20 25 30 35 40

1.5 1.0 0.5 0.0-0.5-1.0 dt = 0.05-1.5 0 5 10 15 20 25 30 35 40

A hiba kiszámítása Euler-módszer formulája: y n+1 = y n + h f (x n, y n ) Tegyük fel, hogy x n helyen a diszkréten számított y n és az egzakt y(x n ) megoldás azonos volt. nézzük meg az eltérést egy lépés után ez lesz a lokális hiba tekintsük y Taylor-sorát x körül az x + h helyen: y n+1 = y(x + h) = y(x) + dy dx h + 1 d 2 y 2 dx 2 h2 +... hasonĺıtsuk össze az Euler-módszer formulájával mivel a módszer kifejezése ennek csak az első két tagját adja meg, nem lehet pontosabb O(h 2 )-nél Mivel a teljes számolás során 1/h lépés végzünk, ezért a globális hiba nem lehet kisebb O(h)-nál.

Energiamegmaradás Az előző példában: harmonikus oszcillátor a test minden kilengéskor egy kicsit túllendült ez a módszer módszer pontatlansága miatt volt így a test minden kitéréskor plusz potenciális energiát nyert ez kinetikus energiává konvertálódott Dinamikai rendszerek szimulációjakor az energiamegmaradás alapkövetelmény az Euler-módszer nem lesz jó! túl nagy energia nyereség/veszteség lépésenként vagy keresünk olyan módszert, ami megtartja az energiát 1, vagy megpróbáljuk csökkenteni a hibát 1ún. szimplektikus integrátorok

A leapfrog 2 módszer Másodrendű dinamikai egyenleteknél működik a sebességeket és a koordinátákat külön-külön lépésben frissítjük másodrendű módszer, a hiba O(h 4 ) x n = x n 1 + t v n 1/2 a n = F (x n) m v n+1/2 = v n 1/2 + t a n A hiba lecsökkent, mégis ugyanannyi számolást kell csak végezni! 2 bakugrás

Az integrálási idő invertálhatósága Vajon visszafele integrálható-e egy rendszer ha nem disszipatív, akkor elvileg igen megmarad az energia nincsen belső súrlódás, viszkozitás stb. Érdekes kérdés: visszafele léptetve egy diszkrét integrátort, visszajutunk-e az eredeti kiindulási pontba? egyszerű integrátorral általában nem a numerikus hibák összeadódnak kaotikus egyenleteknél pedig fel is erősödnek

Az Euler-módszer

Az Euler-módszer javítása Az Euler-módszer aszimmetrikus: Fejezzük ki most y n -et y n+1 -ből: y n = y n+1 h f (x n, y n ) az aszimmetria ott jelenik meg, hogy a deriváltat mindig az x n helyen vesszük. Javítsunk a módszeren: kiszámoljuk a deriváltat egy középső pontban ezt használjuk a teljes lépésben k 1 = h f (x n, y n ) k 2 = h f ( x n + h 2, y n + k ) 1 2 y n+1 = y n + k 2 + O(h 3 )

Az Euler-módszer javítása