MATLAB龙格-库塔方法解微分方程VIP专享

龙格—库塔方法是一种经典方法，具有很高的精度，它间接的利用了泰勒级数展开，避开了高阶偏导数的计算。此处以最为经典的四级四阶龙格-库塔方法为例,计算格式如下 1 龙格—库塔法解一阶 ODE对于形如 的一阶 ODE 初值问题，可以直接套用公式，如今可以借助计算机方便的进行计算，下面给出一个实例 取步长 h=0。1,此处由数学知识可得该方程的精确解为 。在这里利用 MATLAB 编程,计算数值解并与精确解相比，代码如下：（1）写出微分方程，便于调用和修改function val = odefun（ x，y ) val = y—2*x/y; end（2)编写 runge-kutta 方法的函数代码function y = runge_kutta( h,x0，y0 ）k1 = odefun(x0,y0);k2 = odefun（x0+h/2，y0+h/2*k1);k3 = odefun(x0+h/2,y0+h/2＊k2）;k4 = odefun（x0+h,y0+h*k3）； y = y0+h*(k1+2＊k2+2＊k3+k4)/6； end（3)编写主函数解微分方程,并观察数值解与精确解的差异clear allh = 0。1；x0 = 0;y0 = 1；x = 0.1：h:1；y（1) = runge_kutta(h，x0，y0）；for k=1：length(x) x(k) = x0+k＊h; y(k+1） = runge_kutta（h，x（k），y(k)）；endz = sqrt(1+2＊x)；plot（x，y,’*’)；hold onplot（x，z,'r'）;结果如下图,数值解与解析解高度一致2 龙格—库塔法解高阶 ODE对于高阶 ODE 来说，通用的方法是将高阶方程通过引入新的变量降阶为一阶方程组，此处仍以一个实例进行说明。 这是一个二阶 ODE，描述的是一个物体的有阻尼振动情况。初始条件为 ,将方程降阶，引入一个向量型变量 Y故有 记则至此，二阶方程降阶为一阶方程组。值得注意的是此时再用龙格-库塔法进行求解时，代入的将是一个 Y 向量。同样利用 MATLAB 进行计算,步长 h=0。05,时间周期为［0,20].(1) 编写 ODE 函数function Y = odefun1（ ~,Y0 )% 此处Y0为一个列向量，因为时间t未显含在一阶方程组中％ 所以ode函数的第一个参数为空，要根据具体情况而定。Y = ［Y0(2）； (2000-200＊Y0（2）-750*Y0（1)）/500;]；end(2)编写 runge—kutta 函数function Y = rkfa( h,t0,Y0 ）k1 = odefun1（t0,Y0)；k2 = odefun1（t0+h/2,Y0+h/2＊k1）;k3 = odefun1(t0+h/2，Y0+h/2＊k2）;k4 = odefun1(t0+h,Y0+h＊k3)；Y = Y0+h＊（k1+2＊k2+2＊k3+k4)/6;end(3)编写主函数clear allh = 0。05；t = 0。05:h：20;t0 = 0;Y0 = [0； 0]；%初值Y = cell(1,length(t));Y{1｝ = rkfa（ h,t0,Y0 );z = zeros（2，length（t）);for k=1：length(t） Y｛k+1｝ = rkfa（ h，t0，Y{k｝）； z(1，k） = Y｛k｝(1);z(2，k） = Y｛k｝(2）；endplot（t,z(1,：)，'r'）；％位移y的图像 hold onplot（t，z（2,：)）；%速度y’的图像求解结果如下图