常微分方程的解法 (二): 欧拉(Euler)方法
上一节讲了 常微分方程的三种离散化 方法:差商近似导数、数值积分、Taylor 多项式近似。
目录
§2 欧拉(Euler)方法
2.1 向前 Euler 公式、向后 Euler 公式 2.2 Euler 方法的误差估计
§3 改进的 Euler 方法
3.1 梯形公式 3.2 改进 Euler 法
§2 欧拉(Euler)方法
2.1 向前 Euler 公式、向后 Euler 公式
Euler 方法就是用差分方程初值问题(3)的解来近似微分方程初值问题(1)的解, 即由公式(3)依次算出 的近似值
。这组公式求问题(1)的数值 解称为向前 Euler 公式。
2.2 Euler 方法的误差估计
对于向前 Euler 公式(3)我们看到,当n = 1,2,....时公式右端的 都是近似的, 所以用它计算的
会有累积误差,分析累积误差比较复杂,这里先讨论比较简单的 所谓局部截断误差。
显然 p 越大,方法的精度越高。式(9)说明,向前 Euler 方法是一阶方法,因此 它的精度不高。
§3 改进的 Euler 方法
3.1 梯形公式
利用数值积分方法将微分方程离散化时,若用梯形公式计算式(4)中之右端积分, 即
这就是求解初值问题(1)的梯形公式。
直观上容易看出,用梯形公式计算数值积分要比矩形公式好。梯形公式为二阶方法。 梯形公式也是隐式格式,一般需用迭代法求解,迭代公式为
如果实际计算时精度要求不太高,用公式(10)求解时,每步可以只迭代一次,由此导 出一种新的方法—改进 Euler 法。
3.2 改进 Euler 法
按式(5)计算问题(1)的数值解时,如果每步只迭代一次,相当于将 Euler 公式 与梯形公式结合使用:先用 Euler 公式求 的一个初步近似值
,称为预测值,然 后用梯形公式校正求得近似值
,即
式(11)称为由 Euler 公式和梯形公式得到的预测—校正系统,也叫改进 Euler 法。
为便于编制程序上机,式(11)常改写成
改进 Euler 法是二阶方法。
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