Η διατήρηση μάζας σε ένα σύστημα τριών αντιδραστήρων περιγράφεται από το παρακάτω σύστημα συνήθων διαφορικών εξισώσεων:

Σχετικά έγγραφα
Επιμέλεια απαντήσεων: Ιωάννης Λυχναρόπουλος

Παράδειγµα #11 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΑΡΧΙΚΩΝ ΤΙΜΩΝ Σ Ε ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Ν. Βασιλειάδης

Κεφ. 7: Συνήθεις διαφορικές εξισώσεις (ΣΔΕ) - προβλήματα αρχικών τιμών

Εφαρµόζοντας τη µέθοδο αριθµητικής ολοκλήρωσης Euler και Runge-Kutta 2 ης, συστηµατική σύγκριση των πέντε µεθόδων. Η επιλογή των σταθερών

Κεφ. 6Β: Συνήθεις διαφορικές εξισώσεις (ΣΔΕ) - προβλήματα αρχικών τιμών

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 14 ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ, , 5 Ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΕΡΓΑΣΙΑ #1: ΣΥΝΗΘΕΙΣ ΔΙΑΦΟΡΙΚΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΑΡΧΙΚΩΝ ΤΙΜΩΝ

Αριθμητική ολοκλήρωση συνήθων διαφορικών εξισώσεων και συστημάτων

την κεντρώα έκφραση πεπερασμένων διαφορών 2 ης τάξης και για τη παράγωγο f την ανάδρομη έκφραση πεπερασμένων διαφορών 2 ης τάξης xxx

Άσκηση 1. Δίδεται η διαφορική εξίσωση dy. Λύση. Έχουμε dy

Πίνακας Περιεχομένων

Συνήθεις διαφορικές εξισώσεις προβλήματα οριακών τιμών

f στον κόμβο i ενός πλέγματος ( i = 1, 2,,N

1 Αριθμητική κινητής υποδιαστολής και σφάλματα στρογγύλευσης

Πίνακας Περιεχομένων

x από το κεντρικό σημείο i: Ξεκινάμε από το ανάπτυγμα Taylor στην x κατεύθυνση για απόσταση i j. Υπολογίζουμε το άθροισμα:

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ, , 3 ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ #1: ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΚΙΝΗΤΗΣ ΥΠΟ ΙΑΣΤΟΛΗΣ ΚΑΙ ΡΙΖΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΩΝ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Σ.

Παράδειγμα #1 ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΚΙΝΗΤΗΣ ΥΠΟΔΙΑΣΤΟΛΗΣ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Ι. Λυχναρόπουλος

11 ΣΥΝΗΘΕΙΣ ΔΙΑΦΟΡΙΚΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ

1 Επίλυση Συνήθων ιαφορικών Εξισώσεων

Επιλύστε αριθμητικά το με τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών το παρακάτω πρόβλημα δύο οριακών τιμών:

5269: Υπολογιστικές Μέθοδοι για Μηχανικούς. Συνήθεις Διαφορικές Εξισώσεις Πρόβλημα Αρχικών τιμών (B)

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΣΕ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΤΙΚΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ

ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ, , 5 Ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΕΡΓΑΣΙΑ #3: ΠΑΡΑΒΟΛΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΠΑΡΑΔΟΣΗΣ: ΔΙΔΑΣΚΩΝ: Δ.

Θέματα Εξετάσεων Σεπτεμβρίου 2012:

Πρόλογος Εισαγωγή στη δεύτερη έκδοση Εισαγωγή... 11

Επιμέλεια απαντήσεων: Ιωάννης Λυχναρόπουλος

Παράδειγμα #1 ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΚΙΝΗΤΗΣ ΥΠΟΔΙΑΣΤΟΛΗΣ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Ν. Βασιλειάδης

Κεφ. 6Α: Συνήθεις διαφορικές εξισώσεις - προβλήματα δύο οριακών τιμών

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ, 5 Ο ΕΞΑΜΗΝΟ, ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΑΡΑΔΟΣΕΩΝ. Κεφ. 1: Εισαγωγή (διάρκεια: 0.5 εβδομάδες)

5269: Υπολογιστικές Μέθοδοι για Μηχανικούς. Συνήθεις Διαφορικές Εξισώσεις Πρόβλημα Αρχικών τιμών (B)

Βιομαθηματικά BIO-156. Συνεχή στο χρόνο δυναμικά συστήματα. Ντίνα Λύκα. Εαρινό Εξάμηνο, 2017

Αριθμητική Ολοκλήρωση της Εξίσωσης Κίνησης

MEM 253. Αριθμητική Λύση ΜΔΕ * * *

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΓΙΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ MATLAB ΔΕΥΤΕΡΗ ΕΚΔΟΣΗ [ΒΕΛΤΙΩΜΕΝΗ ΚΑΙ ΕΠΑΥΞΗΜΕΝΗ]

Κεφάλαιο 1. Αριθµητική ολοκλήρωση συνήθων διαφορικών εξισώσεων και συστηµάτων

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ, , 3 ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ #4: ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Σ. Βαρούτης

ΧΡΟΝΙΚΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗ. Για την επίλυση χρονομεταβαλλόμενων προβλημάτων η διακριτοποίηση στο χώρο γίνεται με πεπερασμένα στοιχεία και είναι της μορφής:

2. Η μέθοδος του Euler

Κεφάλαιο 2. Μέθοδος πεπερασµένων διαφορών προβλήµατα οριακών τιµών µε Σ Ε

Αριθµητική Ανάλυση. ιδάσκοντες: Καθηγητής Ν. Μισυρλής, Επίκ. Καθηγητής Φ.Τζαφέρης ΕΚΠΑ. 16 Ιανουαρίου 2015

Αριθμητικές Μέθοδοι για την επίλυση ΠΑΤ Δ.Ε.

ΦΥΣ 145 Μαθηµατικές Μέθοδοι στη Φυσική. 21 Μαίου Γράψτε το ονοµατεπώνυµο και αριθµό ταυτότητάς σας στο πάνω µέρος της αυτής της σελίδας.

6. Αριθμητική επίλυση συνήθων διαφορικών

Κεφ. 2: Επίλυση συστημάτων αλγεβρικών εξισώσεων. 2.1 Επίλυση απλών εξισώσεων

1.1. Διαφορική Εξίσωση και λύση αυτής

Συνήθεις Διαφορικές Εξισώσεις Ι Ασκήσεις - 09/11/2017. Άσκηση 1. Να βρεθεί η γενική λύση της διαφορικής εξίσωσης. dy dx = 2y + x 2 y 2 2x

y 1 (x) f(x) W (y 1, y 2 )(x) dx,

Αριθμητική παραγώγιση εκφράσεις πεπερασμένων διαφορών

Κεφ. 2: Επίλυση συστημάτων εξισώσεων. 2.1 Επίλυση εξισώσεων

ΣΥΝΗΘΕΙΣ ΔΙΑΦΟΡΙΚΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΣΤΗ MATLAB

ΑΣΚΗΣΕΙΣ Β ΛΥΚΕΙΟΥ -- ΑΛΓΕΒΡΑ ΓΡΑΜΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

Αριθμητική Επίλυση Συνήθων Διαφορίκών Εξισώσεων 3ο Εργαστήριο 27/03/2015 1

KΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟ ΟΙ ΕΠΙΛΥΣΗΣ ΣΥΝΗΘΩΝ. Το τυπικό πρόβληµα αρχικών τιµών που θα µας απασχολήσει, είναι το ακόλουθο:

Κεφάλαιο 9. Αριθμητική επίλυση Διαφορικών Εξισώσεων

ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. Κωνσταντίνος Ξ. Τσιόκας. Αν. Καθηγήτρια Α.Π.Θ.

f x και τέσσερα ζευγάρια σημείων

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου ΙΙ Ασκήσεις Πράξης

ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ, , 5 Ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΕΡΓΑΣΙΑ #5: ΥΠΕΡΒΟΛΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΠΑΡΑΔΟΣΗΣ: ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Ιωάννης Λυχναρόπουλος

15 εκεµβρίου εκεµβρίου / 64

εξίσωση πρώτου βαθμού

Αριθμητικές Μέθοδοι σε Προγραμματιστικό Περιβάλλον

ιδάσκοντες :Τµήµα Α ( Αρτιοι) : Καθηγητής Ν. Μισυρλής,Τµήµα Β (Περιττοί) : Αριθµητική Επίκ. Καθηγητής νάλυση Φ.Τζαφέρης (ΕΚΠΑ) 27 Μαΐου / 20

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ. 6.1 ΓΡΑΜΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ (Επαναλήψεις-Συμπληρώσεις)

4. Παραγώγιση πεπερασμένων διαφορών Σειρά Taylor Πολυωνυμική παρεμβολή

(συνθήκη συμμετρίας) (4) Το παραπάνω πρόβλημα μπορεί να περιγράψει τη μεταβατική πλήρως ανεπτυγμένη ροή σε κυλινδρικό αγωγό.

Αριθμητική Ανάλυση 4.5 Ιδιοτιμές και ιδιοδιανύσματα πινάκων. Γ. Παπαευαγγέλου, ΕΔΙΠ, ΤΑΤΜ/ΑΠΘ

Κεφ. 2: Επίλυση συστημάτων αλγεβρικών εξισώσεων. 2.1 Επίλυση απλών εξισώσεων

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΕΠΙΛΥΣΗ ΓΡΑΜΜΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ. nn n n

Δίνεται το σύστημα μιας εισόδου και μιας εξόδου, το οποίο περιγράφεται από τις κάτωθι εξισώσεις:,, πίνακας,

QR είναι ˆx τότε x ˆx. 10 ρ. Ποιά είναι η τιµή του ρ και γιατί (σύντοµη εξήγηση). P = [X. 0, X,..., X. (n 1), X. n] a(n + 1 : 1 : 1)

Άσκηση 1 Έχουµε να επιλύσουµε την εξίσωση κύµατος 1 ης τάξης (υπερβολική εξίσωση) (1)

Αριθμητική Ανάλυση. Ενότητα 1: Εισαγωγή Βασικές Έννοιες. Φραγκίσκος Κουτελιέρης Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών

Κεφάλαιο 1: Προβλήµατα τύπου Sturm-Liouville

Δυναμική Μηχανών I. Επίλυση Προβλημάτων Αρχικών Συνθηκών σε Συνήθεις. Διαφορικές Εξισώσεις με Σταθερούς Συντελεστές

Βιομαθηματικά BIO-156

Οι παρακάτω ασκήσεις είναι από το βιβλίο των S. C. Chapra και R. P. Canale με τίτλο Numerical Methods for Engineers, 6 th edition.

Αριθµητική Ανάλυση. ιδάσκοντες: Τµήµα Α ( Αρτιοι) : Καθηγητής Ν. Μισυρλής, Τµήµα Β (Περιττοί) : Επίκ. Καθηγητής Φ.Τζαφέρης. 25 Μαΐου 2010 ΕΚΠΑ

Η Έννοια της εξίσωσης:

( ) Ίσες συναρτήσεις. = g, Οι συναρτήσεις f, g λέμε ότι είναι ίσες και συμβολίζουμε f. όταν: Έχουν το ίδιο πεδία ορισμού Α

4. Παραγώγιση πεπερασμένων διαφορών Σειρά Taylor Πολυωνυμική παρεμβολή

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ Τελική Εξέταση Ι. Λυχναρόπουλος

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 9: Μελέτη ΓΧΑ Συστημάτων με τον Μετασχηματισμό Fourier. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

ΤΑΛΑΝΤΩΣΕΙΣ ΜΕ ΑΠΟΣΒΕΣΗ ΚΑΙ ΔΙΕΓΕΡΣΗ

ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΔΙΑΦΟΡΩΝ ΟΡΙΣΜΟΙ: διαφορές των αγνώστων συναρτήσεων. σύνολο τιμών. F(k,y k,y. =0, k=0,1,2, δείκτη των y k. =0 είναι 2 ης τάξης 1.

Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ Η/Υ. Δομή Επανάληψης. Ιωάννης Λυχναρόπουλος Μαθηματικός, MSc, PhD

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά

Αριθμητικές Μέθοδοι σε Προγραμματιστικό Περιβάλλον

HY213. ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΚΙΝΗΤΗΣ ΥΠΟΔΙΑΣΤΟΛΗΣ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο 3.2 Η ΕΝΝΟΙΑ ΤΟΥ ΓΡΑΜΜΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΑΙ Η. (Σ) όπου α, β, α, β, είναι οι

Συνήθεις Διαφορικές Εξισώσεις Ι Ασκήσεις - 19/10/2017. Ακριβείς Διαφορικές Εξισώσεις-Ολοκληρωτικοί Παράγοντες. Η πρώτης τάξης διαφορική εξίσωση

w 1, z = 2 και r = 1

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ Ι

Προχωρημένα Θέματα Συστημάτων Ελέγχου

Μ Α Θ Η Μ Α Τ Α Γ Λ Υ Κ Ε Ι Ο Υ

4.1 Αριθμητική Ολοκλήρωση Εξισώσεων Νεύτωνα

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 11. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

MATLAB. Εισαγωγή στο SIMULINK. Μονάδα Αυτόματης Ρύθμισης και Πληροφορικής

17. Εισαγωγή σε αριθμητικές μεθόδους για μηχανικούς και αλγορίθμους

ΑΛΓΕΒΡΑ Β ΓΕΝΙΚΟΥ ΛΥΚΕΙΟΥ

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ Ι

Transcript:

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 6 ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ, 0-0, 5 Ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΕΠΙΛΥΣΗ ΕΡΓΑΣΙΑΣ #: ΣΥΝΗΘΕΙΣ ΔΙΑΦΟΡΙΚΕΣ ΕΞΙΣ - ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΑΡΧΙΚΩΝ ΤΙΜΩΝ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Ιωάννης Λυχναρόπουλος ΑΣΚΗΣΗ Η διατήρηση μάζας σε ένα σύστημα τριών αντιδραστήρων περιγράφεται από το παρακάτω σύστημα συνήθων διαφορικών εξισώσεων: d dt d dt d dt 0. 0.0 0.8 0.5 0. 0.05 0.5 () Θεωρώντας ότι τη χρονική στιγμή t 0, όλες οι συγκεντρώσεις 0 να βρεθεί, εφαρμόζοντας τις μεθόδους Euler και Runge-Kutta 4 ης τάξης, η χρονική εξέλιξη των συγκεντρώσεων. Να εξετασθεί η ευστάθεια της μεθόδου Euler και να επιλεγεί το κατάλληλο χρονικό βήμα. Επίσης να συγκριθεί η αριθμητική με την αναλυτική λύση και να σχολιασθεί η χρονική εξέλιξη του σφάλματος και για τις δύο αριθμητικές μεθόδους. Λύση Βρίσκουμε την αναλυτική λύση χρησιμοποιώντας το Mathematca: a=c'[t]==-0.c[t]+0.0c[t]+0.8 b=c'[t]==0.5c[t]-0.c[t] c=c'[t]==0.05c[t]-0.5c[t]+ =DSolve[{,,,c[0]==0,c[0]==0,c[0]==0},{c[],c[],c[]},]//Smplfy Αναλυτική λύση: 0.548 t 0.045 t 6 0.095 t (t)=.486.5844 e 8.844e.04 0 e 0.548 t 0.045 t 6 0.0954 t (t)=7.49 7.0778 e 4.06 e + 4.4409 0 e 0.5t 6 0.048t 0.548t 6 0.0954t (t)=.74.654e 4.44090 e.858e 4.44090 e 6 0.095t 0.045t.040 e.9570e Όμως η λύση δεν είναι ακριβής για t>00!!! Γραφική παράσταση λύσεων: Plot[{[[,,]],[[,,]],[[,,]]},{,0,400},AxesOrgn {0,0}]

5 0 5 0 5 00 00 00 400 Το σφάλμα οφείλεται στο γεγονός ότι το πρόγραμμα Mathematca δεν εκτελεί σωστά 6 τους πολλαπλασιασμούς των όρων τάξης 0 με τους εκθετικούς όρους για μεγάλες τιμές του χρόνου που τείνουν στο άπειρο. Παρόλα αυτά επειδή οι όροι αυτοί πολλαπλασιάζονται με εκθετικά, για μεγάλες τιμές του t αρχίζουν να αποκτούν σημασία και να επηρεάζουν τα αποτελέσματα. Στη συνέχεια αποδεικνύεται η σωστή αναλυτική λύση για όλες τις τιμές του χρόνου: Από τη θεωρεία των συστημάτων γραμμικών διαφορικών εξισώσεων και επειδή στις εξισώσεις δεν υπάρχει όρος στον οποίο να εμφανίζεται t, αναμένεται οι λύσεις του συστήματος να είναι της μορφής t t t t () ae vae v ae v b, όπου a, a, a σταθερές,b σταθερό διάνυσμα,,, οι ιδιοτιμές και v, v, v τα αντίστοιχα ιδιοδιανύσματα του πίνακα συντελεστών των αγνώστων του αντίστοιχου ομογενούς συστήματος. 0. 0.0 0 Πίνακας συντελεστών: 0.5 0. 0 0 0.05 0.5 Ιδιοτιμές: 0.5, 0.548, 0.045 0 0. 0.4 Ιδιοδιανύσματα: v 0, v 0.9, v 0.9 0.9 0.4 Συγκρίνοντας τους όρους που έδωσε το Mathematcaσαν λύση με τους 6 αναμενόμενους, παρατηρούμε ότι όλοι οι όροι που περιέχουν το 0 πρακτικά είναι ίσοι με μηδέν και πρέπει να απαλειφτούν εφόσον μάλιστα περιέχουν δυνάμεις του t e που δεν εμπλέκουν καμία ιδιοτιμή του συστήματος. Πρόκειται για σφάλμα στρογγυλοποίησης στο Mathematca. Αναλυτική λύση:

(t)=.486.5844 e 8.844e 0.548 t 0.045 t (t)=7.49 7.0778 e 4.06 e 0.548 t 0.045 t (t)=.74.654e.858e.9570e 0.5t 0.548t 0.045t Γραφική παράσταση λύσεων: 5 0 5 00 00 00 400 Αλγορίθμι Euler και Runge-Kutta 4 ης τάξης (h=0., h=0.5, h=.0, αριθμός βημάτων n=) Βήμα h 0. Euler () t 0.0 0.000000 4.76876E-07 4.76876E-07 0. 8.0000006E-0 7.960884E-0.9877E-04 0. 0.59000 0.58444 7.85604E-04 4 0. 0.7604 0.64465.69446E-0 5 0.4 0.545 0.70.57E-0 6 0.5 0.90 0.905.889765E-0 7 0.6 0.468057 0.4659665.957E-0 8 0.7 0.545588 0.5409799.57894E-0 9 0.8 0.6879 0.656.908859E-0 0 0.9 0.690548 0.68889.08698E-0.0 0.76567 0.76676.54458E-0 Euler () t 0.0 0.0000000 4.44089E-6 4.44089E-6 0. 0.0000000 5.956566E-04 5.956566E-04 0..00000E-0.6865E-0.686509E-0 4 0..5760005E-0 5.945E-0.77446E-0 5 0.4 7.04968E-0 9.488E-0.494E-0 6 0.5.76975E-0.4506E-0.7486589E-0 7 0.6.755904E-0.0757664E-0.760E-0 8 0.7.477E-0.806755E-0.69547E-0 9 0.8.877E-0.647585E-0 4.4080E-0 0 0.9 4.E-0 4.578904E-0 4.555986E-0.0 5.065E-0 5.66074E-0 4.9590990E-0 Euler () t

0.0 0.0000000 -.84858E-07.84858E-07 0. 0.000000 0.968.7878E-0 0. 0.595000 0.585506 7.49449E-0 4 0. 0.8776906 0.86709.059944E-0 5 0.4.55757.498.775587E-0 6 0.5.4688.40096.678564E-0 7 0.6.698.67605.9674E-0 8 0.7.94900.96674.6946E-0 9 0.8.007.75465.487065E-0 0 0.9.44540.485.774E-0.0.68477.65488.95947E-0 RK4 () t 0.0 0.000000 4.76876E-07 4.76876E-07 0. 7.96077E-0 7.960884E-0.56469E-07 0. 0.5848 0.58444 6.407499E-07 4 0. 0.6446 0.64465.7889E-07 5 0.4 0.709 0.70 8.046670E-07 6 0.5 0.907 0.905 7.4505806E-07 7 0.6 0.465966 0.4659665.7889E-07 8 0.7 0.5409796 0.5409799.84858E-07 9 0.8 0.656 0.656 9.5674E-07 0 0.9 0.6888 0.68889 7.748608E-07.0 0.76679 0.76676 6.556509E-07 RK4 () t n t Αριθμητική Αναλυτική Απόλυτο Σφάλμα 0.0 0.0000000E+00 4.44089E-6 4.44089E-6 0. 5.96065E-04 5.956566E-04.686656E-07 0..6865E-0.6865E-0.885944E-07 4 0. 5.946E-0 5.945E-0.0489097E-08 5 0.4 9.4878E-0 9.488E-0.56469E-07 6 0.5.4505E-0.4506E-0 4.805645E-07 7 0.6.0756986E-0.0757664E-0 6.78008E-07 8 0.7.8066758E-0.806755E-0 4.9765E-07 9 0.8.64796E-0.647585E-0.55084E-07 0 0.9 4.578960E-0 4.578904E-0.56469E-07.0 5.65996E-0 5.66074E-0 7.7858567E-07 RK4 () t 0.0 0.0000000 -.84858E-07.84858E-07 0. 0.9685 0.968.68090E-07 0. 0.585508 0.585506.7889E-07 4 0. 0.86709 0.86709 5.9604645E-08 5 0.4.498.498 0.0000000E+00 6 0.5.40096.40096 4.76876E-07 7 0.6.67605.67605.9099E-07 8 0.7.96674.96674 0.0000000E+00 9 0.8.75465.75465 0.0000000E+00 0 0.9.485.485.84858E-07.0.65488.65488.84858E-07 Βήμα h 0.5 Euler () t 0.0 0.0000000 4.76876E-07 4.76876E-07 0.5 0.4000000 0.905 9.786564E-0.0 0.7800000 0.76675.87475E-0 4.5.400.5544.575600E-0 5.0.48505.459.90E-0 4

6.5.85.774786.77458E-0 7.0.468.0805 4.5894E-0 8.5.4.7574 4.658E-0 9 4.0.70659.656507 5.009E-0 0 4.5.978095.956 5.96E-0 5.0.7759.840 5.54950E-0 Euler () t 0.0 0.0000000 4.44089E-6 4.44089E-6 0.5 0.0000000.4506E-0.4506E-0.0.000000E-0 5.66086E-0.66085E-0 4.5 8.6999997E-0 0.967.59676E-0 5.0 0.68475 0.048 4.4585E-0 6.5 0.780 0.84688 4.750807E-0 7.0 0.95970 0.4449 5.059697E-0 8.5 0.566 0.5857589 5.4950E-0 9 4.0 0.688746 0.7447 5.4809E-0 0 4.5 0.85685 0.90958 5.70978E-0 5.0.0766.088770 5.40999E-0 Euler () t 0.0 0.000000 -.84858E-07.84858E-07 0.5.500000.40096 8.990489E-0.0.8500.65488 0.57664 4.5.96.75957 0.07555 5.0 4.9676 4.7488 0.4978 6.5 5.84844 5.58795 0.65698 7.0 6.60770 6.46 0.79454 8.5 7.98094 7.08 0.8584 9 4.0 7.89498 7.60658 0.8698 0 4.5 8.4459 8.57 0.880 5.0 8.874 8.5989 0.75097 RK4 () t 0.0 0.000000 4.76876E-07 4.76876E-07 0.5 0.907 0.905 7.748608E-07.0 0.76678 0.76675 7.55574E-07 4.5.554.5544 5.9604645E-07 5.0.459.459 9.5674E-07 6.5.774786.774786 4.76876E-07 7.0.0804.0805 7.55574E-07 8.5.75740.7574 7.55574E-07 9 4.0.656507.656507 4.76876E-07 0 4.5.956.956 4.76876E-07 5.0.8409.840 4.76876E-07 RK4 () t 0.0 0.000000 4.44089E-6 4.44089E-6 0.5.450E-0.4506E-0.07497E-07.0 5.6600E-0 5.66086E-0 5.9604645E-07 4.5 0.977 0.967.0790E-06 5.0 0.0484 0.048.980E-07 6.5 0.8469 0.84688 4.76876E-07 7.0 0.44494 0.4449 8.64675E-07 8.5 0.5857598 0.5857589 8.9406967E-07 9 4.0 0.7448 0.7447.9099E-07 0 4.5 0.909587 0.90958.576787E-07 5.0.088770.088770.9099E-07 RK4 () t 5

0.0 0.000000 -.84858E-07.84858E-07 0.5.4009.40096.66044E-06.0.6548.65488 5.45087E-06 4.5.75950.75957 7.55574E-06 5.0 4.7480 4.7488 8.580688E-06 6.5 5.58786 5.58795 9.0599060E-06 7.0 6.406 6.46.00580E-05 8.5 7.07 7.08.00580E-05 9 4.0 7.60648 7.60658.00580E-05 0 4.5 8.48 8.57 9.5674E-06 5.0 8.59884 8.5989 8.580688E-06 Βήμα h Euler () t 0.0 0.00000 4.76876E-07 4.76876E-07.0.600000.459 0.47087 4.0.880000.656507 0.499 4 6.0.900.66569 0.579 5 8.0 4.788480 4.5004 0.68767 6 0.0 5.57798 5.54 0.654567 7.0 6.4 5.88509 0.56009 8 4.0 6.6809 6.478 0.4698 9 6.0 7.57 6.9 0.0604 0 8.0 7.56875 7.5089 0.78574 0.0 7.98086 7.700 0.058864 Euler () t 0.0 0.0000000 4.44089E-6 4.44089E-6.0 0.0000000 0.048 0.048 4.0 0.4800000 0.7447 0.647 4 6.0.48000.474948 0.69479 5 8.0.7560.78 0.5009 6 0.0.768.9896 6.068E-0 7.0 4.96805 4.767.579E-0 8 4.0 5.9988 5.09490 0.04980 9 6.0 6.6447 5.9966 0.7987 0 8.0 7.0777 6.848700 0.8474 0.0 7.95 7.6605 0.7805 Euler () t 0.0 0.0000000 -.84858E-07.84858E-07.0 6.000000 4.7488.756 4.0 9.000000 7.60658.984 4 6.0 0.5400 9.7996.44704 5 8.0.440 0.4868 0.88084 6 0.0.77097.984 0.57860 7.0.044.65776 0.865690 8 4.0.00.9769 0.557087 9 6.0.7599.050 0.70696 0 8.0.4960.7866 0.7594 0.0.6096.5660 8.557666E-0 RK4 () t 0.0 0.000000 4.76876E-07 4.76876E-07.0.4585.459 5.9666E-05 4.0.6564.656507 8.60756E-05 4 6.0.66574.66569 9.5674E-05 5 8.0 4.500 4.5004 9.46008E-05 6 0.0 5.555 5.54 8.60756E-05 6

7.0 5.885 5.88509 7.58708E-05 8 4.0 6.476 6.478 6.5669E-05 9 6.0 6.9056 6.9 5.4867E-05 0 8.0 7.50848 7.5089 4.577667E-05 0.0 7.76 7.700.76705E-05 RK4 () t 0.0 0.0000000 4.44089E-6 4.44089E-6.0 0.06400 0.048.57974E-04 4.0 0.74658 0.7447.087E-04 4 6.0.4750.474948.5454E-04 5 8.0.760.78.4890900E-04 6 0.0.40.9896.745E-04 7.0 4.787 4.767.9979E-04 8 4.0 5.095080 5.09490.70087E-04 9 6.0 5.9908 5.9966.409747E-04 0 8.0 6.84886 6.848700.6487E-04 0.0 7.66068 7.6605 9.44757E-05 RK4 () t 0.0 0.0000000 -.84858E-07.84858E-07.0 4.7850 4.7488.98885E-0 4.0 7.6054 7.60658.64905E-0 4 6.0 9.7609 9.7996.777786E-0 5 8.0 0.4874 0.4868.697705E-0 6 0.0.9085.984.9956E-0 7.0.656.65776.449556E-0 8 4.0.9758.9769.08484E-0 9 6.0.0460.050 6.95858E-04 0 8.0.789.7866 4.70644E-04 0.0.569.5660.8058E-04 Παρατηρούμε ότι σε όλες τις περιπτώσεις η μέθοδος RK4 δίνει καλύτερα αποτελέσματα από την μέθοδο Euler. Επίσης, όπως είναι αναμενόμενο, η ακρίβεια αυξάνει και στις δύο μεθόδους καθώς το βήμα μειώνεται. Όμως η μέθοδος Euler ακόμη και h=0.5 δεν δίνει ικανοποιητικά αποτελέσματα. ΚώδικαςFortran: programntal_value_problems_system mplct none real::h real,allocatable,dmenson(:)::z,z,z,x nteger::,method,n=! number of teratons allocate(x(n),z(n),z(n),z(n)) open(,fle='results_.txt') do method=,!=euler,=rk4 x()=0!startng pont z()=0!ntal value z()=0!ntal value z()=0!ntal value h=0. select case (method) case () calleuler(x,z,z,z,h,n) case () call rk4(x,z,z,z,h,n) end select prnt*, '--------------------',method,'----------------------' do =,n f (mod(,)==0) then! wrte(,*),',',x(),',', z(),',', y_an(x()),',',abs(y_an(x())-z()) 7

! wrte(,*),',',x(),',',z(),',',y_an(x()),',',abs(y_an(x())-z()) wrte(,*),',',x(),',',z(),',',y_an(x()),',',abs(y_an(x())-z()) wrte(*,*),',',x(),',', z(),',', y_an(x()),abs(y_an(x())-z())! wrte(*,*),',',x(),',',z(),',',y_an(x()),abs(y_an(x())-z())! wrte(*,*),',',x(),',',z(),',',y_an(x()),abs(y_an(x())-z())! wrte(*,*) end f enddo end do contans subroutneeuler(x,z,z,z,h,n) real::x(:),z(:),z(:),z(:),h nteger::,n do =,n- z(+)=z()+h*f(x(),z(),z(),z()) z(+)=z()+h*f(x(),z(),z(),z()) z(+)=z()+h*f(x(),z(),z(),z()) x(+)=x()+h enddo end subroutne euler subroutne rk4(x,z,z,z,h,n) real::x(:),z(:),z(:),z(:),h,k,k,k,k4,k,k,k,k4,k,k,k,k4 nteger::,n do =,n- k=f(x(),z(),z(),z()) k=f(x(),z(),z(),z()) k=f(x(),z(),z(),z()) k=f(x()+0.5*h,z()+0.5*h*k,z()+0.5*h*k,z()+0.5*h*k) k=f(x()+0.5*h,z()+0.5*h*k,z()+0.5*h*k,z()+0.5*h*k) k=f(x()+0.5*h,z()+0.5*h*k,z()+0.5*h*k,z()+0.5*h*k) k=f(x()+0.5*h,z()+0.5*h*k,z()+0.5*h*k,z()+0.5*h*k) k=f(x()+0.5*h,z()+0.5*h*k,z()+0.5*h*k,z()+0.5*h*k) k=f(x()+0.5*h,z()+0.5*h*k,z()+0.5*h*k,z()+0.5*h*k) enddo end subroutne rk4 k4=f(x()+h,z()+h*k,z()+h*k,z()+h*k) k4=f(x()+h,z()+h*k,z()+h*k,z()+h*k) k4=f(x()+h,z()+h*k,z()+h*k,z()+h*k) x(+)=x()+h z(+)=z()+(h/6)*(k+*k+*k+k4) z(+)=z()+(h/6)*(k+*k+*k+k4) z(+)=z()+(h/6)*(k+*k+*k+k4) real functon f(x,x,x,x4) result(z) real,ntent(n)::x,x,x,x4 z=-0.*x+0.0*x+0.8 end functon f real functon f(x,x,x,x4) result(z) real,ntent(n)::x,x,x,x4 z=0.5*x-0.*x end functon f real functon f(x,x,x,x4) result(z) real,ntent(n)::x,x,x,x4 8

z=0.05*x-0.5*x4+ end functon f real functon y_an(t) result(y)!analytc soluton real,ntent(n)::t y=.4857485749 - &.5844458549077/ & Exp(0.547755750566*t) - & 8.8448900095/ & Exp(0.045774449489*t) end functon y_an real functon y_an(t) result(y)!analytc soluton real,ntent(n)::t y=7.485748574 + & 7.077787579046/ & Exp(0.547755750566*t) - & 4.0644500476/ & Exp(0.045774449489*t) end functon y_an real functon y_an(t) result(y)!analytc soluton real,ntent(n)::t y=.748574857 - &.6584658467/ & Exp(0.4999999999999994*t) + &.858890840/ & Exp(0.5477557505656*t) - &.957007995/ & Exp(0.045774449488*t) end functon y_an end program ntal_value_problems_system Ευστάθεια μεθόδου Euler () () () () () () () () () () () () () () () () () () () () () () () () () () () hf t,,, 0.h 0.0h 0.8h hf t,,, 0.5h 0.h hf t,,, 0.05h 0.5h h Αφαιρώντας δύο διαδοχικά βήματα μεταξύ τους, απαλείφονται οι σταθεροί όροι: 0.h 0.0h όπου με συμβολίζουμε τη διαφορά δύο διαδοχικών βημάτων των () () () () () () 0.5h 0.h () () () 0.05h 0.5h ( j) Σε μορφή πινάκων το σύστημα γράφεται στη μορφή () () 0.h 0.0h 0 () () 0.5h 0.h 0 () () 0 0.05h 0.5h G Για να έχουμε ευστάθεια, πρέπει η φασματική ακτίνα του πίνακα G να είναι μικρότερη της μονάδας. Βρίσκουμε τις ιδιοτιμές του πίνακα G: ( j) 9

G 0 0.h 0.0h 0 0.5h 0.h 0 0 0 0.05h 0.5h 0.h 0.0h 0.5 0 0.5 0. 0.00 0 0.5h 0.h h h h h 0.5h 0.5h 0 0.5477h 0.h 0. 00h 0 0.045h Επιθυμούμε να δούμε για ποιες τιμές του h οι απόλυτες τιμές όλως των ιδιοτιμών είναι μικρότερες της μονάδας: h 8 h.9 h 44.5 Η μέθοδος Euler είναι ευσταθής για h 8 Οι ιδιοτιμές προκύπτουν και από το Mathematca με την εντολή: Reduce[Max[Abs[Egenvalues[G]]]<,h] Αποτελέσματα Euler και RK 4 ης τάξης για h 7 και h 8 h 7 Euler - () t 5 8.00000 9.49980 8.9097 0.59745 0 6.00000.4099 0.9650 0.4485 5 98.00000.8570.44 6.59674E-0 0.0000.48.40698.59966E-0 5 68.0000.476.444.4809E-0 0 0.0000.484.4766 7.686650E-04 5 8.0000.4855.488.6498566E-04 40 7.0000.4857.485.475E-05 45 08.0000.4857.4856 6.67570E-06 50 4.0000.4857.4857 9.5674E-07 55 78.0000.4857.4857 9.5674E-07 60 4.0000.4857.4857 9.5674E-07 65 448.0000.4857.4857 9.5674E-07 70 48.0000.4857.4857 9.5674E-07 75 58.0000.4857.4857 9.5674E-07 80 55.0000.4857.4857 9.5674E-07 Euler - () t 5 8.00000.85996 0.4090.450855 0 6.00000 6.558 5.74 0.6957 5 98.00000 7.0545 6.85495 0.70507 0.0000 7.56 7.087 4.65977E-0 5 68.0000 7.405 7.07 9.54858E-0 0 0.0000 7.447 7.406.0579E-0 5 8.0000 7.480 7.45 4.594897E-04 0

40 7.0000 7.485 7.475 9.774780E-05 45 08.0000 7.486 7.484.098085E-05 50 4.0000 7.486 7.485.84697E-06 55 78.0000 7.486 7.486 0.0000000E+00 60 4.0000 7.486 7.486 0.0000000E+00 65 448.0000 7.486 7.486 0.0000000E+00 70 48.0000 7.486 7.486 0.0000000E+00 75 58.0000 7.486 7.486 0.0000000E+00 80 55.0000 7.486 7.486 0.0000000E+00 Euler - () t 5 8.00000 9.077776.897.85945 0 6.00000 4.5655.54.00 5 98.00000.4757.6794 0.0965 0.0000.76549.70707 5.84996E-0 5 68.0000.70.780.49467E-0 0 0.0000.774.798.6065E-0 5 8.0000.757.74 6.570860E-04 40 7.0000.7445.747.804445E-04 45 08.0000.744.748.84697E-05 50 4.0000.740.748.049047E-05 55 78.0000.748.749.8609E-06 60 4.0000.749.749 0.0000000E+00 65 448.0000.749.749 0.0000000E+00 70 48.0000.749.749 0.0000000E+00 75 58.0000.749.749 0.0000000E+00 80 55.0000.749.749 0.0000000E+00 Τα αποτελέσματα παραμένουν ευσταθή δηλαδή το σφάλμα δεν μεγαλώνει για μεγάλες τιμές του χρόνου αλλά δεν είναι ακριβή στους μικρούς χρόνους εκεί δηλαδή που οι συγκεντρώσεις μεταβάλλονται σε σχέση με το χρόνο. RK4 - () t 5 8.00000 8.89786 8.9097 4.75054E-0 0 6.00000 0.960 0.9650.06947E-04 5 98.00000.9.44 5.4984E-05 0.0000.40697.40698.4055E-05 5 68.0000.44.444.84697E-06 0 0.0000.4766.4766 9.5674E-07 5 8.0000.488.488 9.5674E-07 40 7.0000.485.485 0.0000000E+00 45 08.0000.4856.4856 0.0000000E+00 50 4.0000.4857.4857 9.5674E-07 55 78.0000.4857.4857 9.5674E-07 60 4.0000.4857.4857 9.5674E-07 65 448.0000.4857.4857 9.5674E-07 70 48.0000.4857.4857 9.5674E-07 75 58.0000.4857.4857 9.5674E-07 80 55.0000.4857.4857 9.5674E-07 RK4 - () t 5 8.00000 0.40 0.4090.658E-0 0 6.00000 5.740 5.74.04E-04 5 98.00000 6.8548 6.85495.790E-04 0.0000 7.0869 7.087.84697E-05 5 68.0000 7.070 7.07 9.5674E-06 0 0.0000 7.406 7.406.907486E-06 5 8.0000 7.45 7.45 0.0000000E+00 40 7.0000 7.475 7.475.907486E-06 45 08.0000 7.484 7.484.907486E-06 50 4.0000 7.485 7.485.907486E-06 55 78.0000 7.486 7.486 0.0000000E+00 60 4.0000 7.486 7.486 0.0000000E+00

65 448.0000 7.486 7.486 0.0000000E+00 70 48.0000 7.486 7.486 0.0000000E+00 75 58.0000 7.486 7.486 0.0000000E+00 80 55.0000 7.486 7.486 0.0000000E+00 RK4 - () t 5 8.00000.805.897 6.67E-0 0 6.00000.5409.54.4597E-04 5 98.00000.679.6794.898E-05 0.0000.70706.70707 5.70459E-06 5 68.0000.780.780.907486E-06 0 0.0000.798.798 0.0000000E+00 5 8.0000.74.74 0.0000000E+00 40 7.0000.747.747 0.0000000E+00 45 08.0000.748.748 0.0000000E+00 50 4.0000.749.748 9.5674E-07 55 78.0000.749.749 0.0000000E+00 60 4.0000.749.749 0.0000000E+00 65 448.0000.749.749 0.0000000E+00 70 48.0000.749.749 0.0000000E+00 75 58.0000.749.749 0.0000000E+00 80 55.0000.749.749 0.0000000E+00 Τα αποτελέσματα παραμένουν ευσταθή και ακριβή. Για h 8 Euler - () t 5.00000 9.9580 9.0 0.6699 0 7.00000.79.08780 0.854944 5.0000.4.776.97505E-0 0 5.0000.468.494 7.404664E-0 5 9.0000.489.4707.559E-0 0.0000.4855.48.50674E-04 5 7.0000.4857.485.7998E-05 40.0000.4857.4857 5.70459E-06 45 5.0000.4857.4857 0.0000000E+00 50 9.0000.4857.4857 9.5674E-07 55 4.0000.4857.4857 9.5674E-07 60 47.0000.4857.4857 9.5674E-07 65 5.0000.4857.4857 9.5674E-07 70 55.0000.4857.4857 9.5674E-07 75 59.0000.4857.4857 9.5674E-07 80 6.0000.4857.4857 9.5674E-07 Euler - () t 5.00000.486.49598.6578 0 7.00000 6.7757 6.098 0.507760 5.0000 7.09784 6.9900 0.0789 0 5.0000 7.809 7.78.070E-0 5 9.0000 7.45 7.876.597595E-0 0.0000 7.48 7.49 6.9888E-04 5 7.0000 7.485 7.475.049047E-04 40.0000 7.486 7.484.7668E-05 45 5.0000 7.486 7.485.84697E-06 50 9.0000 7.486 7.486 0.0000000E+00 55 4.0000 7.486 7.486 0.0000000E+00 60 47.0000 7.486 7.486 0.0000000E+00 65 5.0000 7.486 7.486 0.0000000E+00 70 55.0000 7.486 7.486 0.0000000E+00 75 59.0000 7.486 7.486 0.0000000E+00 80 6.0000 7.486 7.486 0.0000000E+00

Euler - () t 5.00000 0.644009.0767.47 0 7.00000 6.7775.6009.6776 5.0000.09407.6956.60 0 5.0000 6.909.7.6786 5 9.0000.09884.779.6494 0.0000 6.966.740.6546 5 7.0000.09890.747.657 40.0000 6.967.748.659 45 5.0000.09890.749.658 50 9.0000 6.967.749.658 55 4.0000.09890.749.658 60 47.0000 6.967.749.658 65 5.0000.09890.749.658 70 55.0000 6.967.749.658 75 59.0000.09890.749.658 80 6.0000 6.967.749.658 Τα αποτελέσματα για τη συγκέντρωση () t είναι λάθος και ή συμπεριφορά των αποτελεσμάτων τελείως διαφορετική από την αναλυτική, δηλαδή τα αποτελέσματα είναι ασταθή. RK4 - () t 5.00000 9.94 9.0 6.699E-0 0 7.00000.08755.08780.4604797E-04 5.0000.770.776 5.50E-05 0 5.0000.494.494.97766E-05 5 9.0000.4707.4707.84697E-06 0.0000.48.48 9.5674E-07 5 7.0000.485.485 9.5674E-07 40.0000.4856.4857 9.5674E-07 45 5.0000.4857.4857 9.5674E-07 50 9.0000.4857.4857 9.5674E-07 55 4.0000.4857.4857 9.5674E-07 60 47.0000.4857.4857 9.5674E-07 65 5.0000.4857.4857 9.5674E-07 70 55.0000.4857.4857 9.5674E-07 75 59.0000.4857.4857 9.5674E-07 80 6.0000.4857.4857 9.5674E-07 RK4 - () t 5.00000.50969.49598.7085E-0 0 7.00000 6.09 6.098 5.054004E-04 5.0000 6.98986 6.9900.48779E-04 0 5.0000 7.779 7.78.4497E-05 5 9.0000 7.875 7.876 5.70459E-06 0.0000 7.49 7.49 0.0000000E+00 5 7.0000 7.475 7.475.907486E-06 40.0000 7.484 7.484 0.0000000E+00 45 5.0000 7.485 7.485.907486E-06 50 9.0000 7.486 7.486 0.0000000E+00 55 4.0000 7.486 7.486 0.0000000E+00 60 47.0000 7.486 7.486 0.0000000E+00 65 5.0000 7.486 7.486 0.0000000E+00 70 55.0000 7.486 7.486 0.0000000E+00 75 59.0000 7.486 7.486 0.0000000E+00 80 6.0000 7.486 7.486 0.0000000E+00

RK4 - () t 5.00000.87998.0767 0.476898 0 7.00000.59970.6009 6.90460E-04 5.0000.69560.6956.098085E-05 0 5.0000.7.7.84697E-06 5 9.0000.778.779 9.5674E-07 0.0000.740.740 9.5674E-07 5 7.0000.747.747 0.0000000E+00 40.0000.748.748 0.0000000E+00 45 5.0000.749.749 0.0000000E+00 50 9.0000.749.749 0.0000000E+00 55 4.0000.749.749 0.0000000E+00 60 47.0000.749.749 0.0000000E+00 65 5.0000.749.749 0.0000000E+00 70 55.0000.749.749 0.0000000E+00 75 59.0000.749.749 0.0000000E+00 80 6.0000.749.749 0.0000000E+00 Τα αποτελέσματα παραμένουν ευσταθή και ακριβή για () t και () t όχι όμως για () t σε μικρούς χρόνους. 4

Άσκηση Να βρεθούν οι περιοχές ευστάθειας των αριθμητικών μεθόδων Euler και Runge-Kutta ης, ης και 4 ης τάξης όταν αυτές εφαρμόζονται στην αριθμητική επίλυση της ΣΔΕ dy dx y, όπου R I ( ). Euler y y hf x, y y y h y y h y Θέτουμε y y όπου y η αναλυτική λύση και το σφάλμα και αντικαθιστούμε: y hy h dy y y Αλλά από τον ορισμό της παραγώγου έχουμε ότι η οποία σχέση σε dx h συνδυασμό με την dy y y y δίνει ότι y y hy dx h y h y h h Άρα Για να έχουμε ευστάθεια θα πρέπει το σφάλμα απολύτως να μειώνεται καθώς αυξάνει το δηλαδή θα πρέπει να ισχύει: h RK k f( x, y) y k f( x h, y hk ) y hk y h y h h h y y kk y y y h y y y hy y h h h y h y h h RK k f( x, y) y h h h k f( x, y k) y y h k f( x h, y h( k k)) y h( k k) y hy yy h h h h y y k4k k y y y 4y yy h y yy 6 6 h h h h h h y h y h h 6 6 6 5

RK4 k f( x, y ) y h h h k f( x, y k) y y h h h h h k f x y k y k y y y 4 (, ) h 4 h k4 f( x h, y hk) y hky hy y y 4 h y y kk kk4 6 h h h h h 4 h y y y y y y y y y hy y y 6 4 4 4 4 h h h y h y 6 4 4 4 4 4 h h h h h h h h 6 4 6 4 Θέτοντας a b όπου a hr και b h με τη βοήθεια του Mathematca προκύπτουν οι περιοχές ευστάθειας κάθε αλγορίθμου (περιοχή μεταξύ καμπύλης και άξονα h R ): b ontourplot Abs[ ], Abs, Abs, 6 4 Abs,{ a, 4,},{ b,0,4}, AspectRato Automatc, AxesTrue 6 4 4 h R RK RK4 RK Euler 0-4 - - - 0 h I 6