1. Uvod. 2. Procesne jadnadžbe. 3. Metoda Runge-Kutta 4. Reda

Σχετικά έγγραφα
Funkcije dviju varjabli (zadaci za vježbu)

2 tg x ctg x 1 = =, cos 2x Zbog četvrtog kvadranta rješenje je: 2 ctg x

7 Algebarske jednadžbe

Neka je a 3 x 3 + a 2 x 2 + a 1 x + a 0 = 0 algebarska jednadžba trećeg stupnja. Rješavanje ove jednadžbe sastoji se od nekoliko koraka.

Iterativne metode - vježbe

1.4 Tangenta i normala

radni nerecenzirani materijal za predavanja R(f) = {f(x) x D}

Numerička matematika 2. kolokvij (1. srpnja 2009.)

1 Promjena baze vektora

2. Ako je funkcija f(x) parna onda se Fourierov red funkcije f(x) reducira na Fourierov kosinusni red. f(x) cos

3.1 Granična vrednost funkcije u tački

Matematička analiza 1 dodatni zadaci

(P.I.) PRETPOSTAVKA INDUKCIJE - pretpostavimo da tvrdnja vrijedi za n = k.

18. listopada listopada / 13

Linearna algebra 2 prvi kolokvij,

M086 LA 1 M106 GRP. Tema: Baza vektorskog prostora. Koordinatni sustav. Norma. CSB nejednakost

PRAVA. Prava je u prostoru određena jednom svojom tačkom i vektorom paralelnim sa tom pravom ( vektor paralelnosti).

( , treći kolokvij) 3. Na dite lokalne ekstreme funkcije z = x 4 + y 4 2x 2 + 2y 2 3. (20 bodova)

y f x y g x Bernouli diferencijalna jed.: y' f x y g x y n realni broj; Svodi se na linernu dif.jed. Homogena diferencijalna jed.

UNIVERZITET U NIŠU ELEKTRONSKI FAKULTET SIGNALI I SISTEMI. Zbirka zadataka

Pismeni ispit iz matematike Riješiti sistem jednačina i diskutovati rješenja sistema u zavisnosti od parametra: ( ) + 1.

Riješeni zadaci: Nizovi realnih brojeva

numeričkih deskriptivnih mera.

Determinante. a11 a. a 21 a 22. Definicija 1. (Determinanta prvog reda) Determinanta matrice A = [a] je broj a.

ELEKTROTEHNIČKI ODJEL

π π ELEKTROTEHNIČKI ODJEL i) f (x) = x 3 x 2 x + 1, a = 1, b = 1;

radni nerecenzirani materijal za predavanja

Trigonometrija 2. Adicijske formule. Formule dvostrukog kuta Formule polovičnog kuta Pretvaranje sume(razlike u produkt i obrnuto

TRIGONOMETRIJSKE FUNKCIJE I I.1.

MATEMATIKA Pokažite da za konjugiranje (a + bi = a bi) vrijedi. a) z=z b) z 1 z 2 = z 1 z 2 c) z 1 ± z 2 = z 1 ± z 2 d) z z= z 2

Strukture podataka i algoritmi 1. kolokvij 16. studenog Zadatak 1

Riješeni zadaci: Limes funkcije. Neprekidnost

Kaskadna kompenzacija SAU

( ) ( ) Zadatak 001 (Ines, hotelijerska škola) Ako je tg x = 4, izračunaj

Elementi spektralne teorije matrica

Operacije s matricama

Cauchyjev teorem. Postoji više dokaza ovog teorema, a najjednostvniji je uz pomoć Greenove formule: dxdy. int C i Cauchy Riemannovih uvjeta.

Osnovni primer. (Z, +,,, 0, 1) je komutativan prsten sa jedinicom: množenje je distributivno prema sabiranju

Veleučilište u Rijeci Stručni studij sigurnosti na radu Akad. god. 2011/2012. Matematika. Monotonost i ekstremi. Katica Jurasić. Rijeka, 2011.

SEMINAR IZ KOLEGIJA ANALITIČKA KEMIJA I. Studij Primijenjena kemija

Uvod. - linearne jednadžbe. - nelinearne jednadžbe

PRIMJER 3. MATLAB filtdemo

Linearna algebra 2 prvi kolokvij,

( , 2. kolokvij)

INTEGRALNI RAČUN. Teorije, metodike i povijest infinitezimalnih računa. Lucija Mijić 17. veljače 2011.

( ) ( ) 2 UNIVERZITET U ZENICI POLITEHNIČKI FAKULTET. Zadaci za pripremu polaganja kvalifikacionog ispita iz Matematike. 1. Riješiti jednačine: 4

41. Jednačine koje se svode na kvadratne

Eliminacijski zadatak iz Matematike 1 za kemičare

Računarska grafika. Rasterizacija linije

Pismeni ispit iz matematike GRUPA A 1. Napisati u trigonometrijskom i eksponencijalnom obliku kompleksni broj, zatim naći 4 z.

DUALNOST. Primjer. 4x 1 + x 2 + 3x 3. max x 1 + 4x 2 1 3x 1 x 2 + x 3 3 x 1 0, x 2 0, x 3 0 (P ) 1/9. Back FullScr

III VEŽBA: FURIJEOVI REDOVI

1 Obične diferencijalne jednadžbe

Prikaz sustava u prostoru stanja

PARCIJALNI IZVODI I DIFERENCIJALI. Sama definicija parcijalnog izvoda i diferencijala je malo teža, mi se njome ovde nećemo baviti a vi ćete je,

Ispitivanje toka i skiciranje grafika funkcija

BIPOLARNI TRANZISTOR Auditorne vježbe

SISTEMI NELINEARNIH JEDNAČINA

RIJEŠENI ZADACI I TEORIJA IZ

IZVODI ZADACI ( IV deo) Rešenje: Najpre ćemo logaritmovati ovu jednakost sa ln ( to beše prirodni logaritam za osnovu e) a zatim ćemo

Zavrxni ispit iz Matematiqke analize 1

Uvod u teoriju brojeva

Sortiranje prebrajanjem (Counting sort) i Radix Sort

DISKRETNA MATEMATIKA - PREDAVANJE 7 - Jovanka Pantović

IZVODI ZADACI (I deo)

Apsolutno neprekidne raspodele Raspodele apsolutno neprekidnih sluqajnih promenljivih nazivaju se apsolutno neprekidnim raspodelama.

Obične diferencijalne jednadžbe 2. reda

Zadaci sa prethodnih prijemnih ispita iz matematike na Beogradskom univerzitetu

IZRAČUNAVANJE POKAZATELJA NAČINA RADA NAČINA RADA (ISKORIŠĆENOSTI KAPACITETA, STEPENA OTVORENOSTI RADNIH MESTA I NIVOA ORGANIZOVANOSTI)

Sume kvadrata. mn = (ax + by) 2 + (ay bx) 2.

FTN Novi Sad Katedra za motore i vozila. Teorija kretanja drumskih vozila Vučno-dinamičke performanse vozila: MAKSIMALNA BRZINA

MATRICE I DETERMINANTE - formule i zadaci - (Matrice i determinante) 1 / 15

Računarska grafika. Rasterizacija linije

VJEŽBE 3 BIPOLARNI TRANZISTORI. Slika 1. Postoje npn i pnp bipolarni tranziostori i njihovi simboli su dati na slici 2 i to npn lijevo i pnp desno.

Matematičke metode u marketingumultidimenzionalno skaliranje. Lavoslav ČaklovićPMF-MO

- pravac n je zadan s točkom T(2,0) i koeficijentom smjera k=2. (30 bodova)

Matematika 1 - vježbe. 11. prosinca 2015.

Dijagonalizacija operatora

Ĉetverokut - DOMAĆA ZADAĆA. Nakon odgledanih videa trebali biste biti u stanju samostalno riješiti sljedeće zadatke.

IspitivaƬe funkcija: 1. Oblast definisanosti funkcije (ili domen funkcije) D f

Teorijske osnove informatike 1

Osnovne teoreme diferencijalnog računa

VJEROJATNOST I STATISTIKA Popravni kolokvij - 1. rujna 2016.

3. dio vježbi Modeli s diferencijalnim jednadžbama. Nela Bosner. Znanstveno računanje 2. Nela Bosner. Inicijalni problem za. diferencijalnu jednadžbu

Opća bilanca tvari - = akumulacija u dif. vremenu u dif. volumenu promatranog sustava. masa unijeta u dif. vremenu u dif. volumen promatranog sustava

5. Karakteristične funkcije

Linearna algebra I, zimski semestar 2007/2008

F (t) F (t) F (t) OGLEDNI PRIMJER SVEUČILIŠTE J.J.STROSSMAYERA U OSIJEKU ZADATAK

Iskazna logika 3. Matematička logika u računarstvu. novembar 2012

DIFERENCIJALNE JEDNADŽBE

Više dokaza jedne poznate trigonometrijske nejednakosti u trokutu

a M a A. Može se pokazati da je supremum (ako postoji) jedinstven pa uvodimo oznaku sup A.

( x) ( ) ( ) ( x) ( ) ( x) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

6 Polinomi Funkcija p : R R zadana formulom

Uvod Kako naći ortogonalne trajektorije. 1 Polje smjerova. 2 Eulerova metoda za rješavanje dif. jednadžbi prvog reda. 3 Ortogonalne trajektorije

4 INTEGRALI Neodredeni integral Integriranje supstitucijom Parcijalna integracija Odredeni integral i

Mate Vijuga: Rijeseni zadaci iz matematike za srednju skolu

KONVEKSNI SKUPOVI. Definicije: potprostor, afin skup, konveksan skup, konveksan konus. 1/5. Back FullScr

PROSTORNI STATIČKI ODREĐENI SUSTAVI

1. Duljinska (normalna) deformacija ε. 2. Kutna (posmina) deformacija γ. 3. Obujamska deformacija Θ

Transcript:

. Uvod Cilj ove vježbe je uspostava numeričkog modela dinamike ekosustava prezentiranog sa dva člana. Prvi član predstavlja plijen-fitoplankton (prva proesna varijabla A ) a drugi član predstavlja predator-zooplankton (druga proesna varijabla Z ). Postavljene su dvije međusobno vezane (ovisne) obične diferenijalne jednadžbe temeljem koji se prati dinamika rasta i odumiranja kroz nekoliko karakteristični vremenski iklusa. Za rješavanje sustava sačinjenog od dvije diferenijalne jednadžbe korištena je u teničkoj praksi vrlo često primjenjivana metoda Runge-Kutta. reda.. Proesne jadnadžbe Početno stanje sustava je definirano s 0 jedinki fitoplanktona koji imaju konstantu produkije (rasta),5 te ratu razgradnje,5. Razgradnjom je obuvaćeno prirodno odumiranje fitoplanktona i smanjenje broja jedinki uslijed aktivnosti predatora kojeg predstavlja zooplankton. Početni broj jedinki zooplanktona je usvojen s. Budući da zooplankton nije primarni produent (ne može stvoriti živu tvar iz anorganske tvari kroz proes fotosinteze) njegov rast ovisan je o raspoloživom plijenu odnosno konentraiji fitoplanktona. Brzina rasta populaije zooplanktona definirana je koefiijentom konzumaije fitoplanktona 0,0. Brzina razgradnje zooplanktona definirana je koefiijentom -, a kojim je obuvaćen i proes prirodnog odumiranja zooplanktona i njegova podložnost da postane plijen viši predatora. Time je definiran sustav od dvije proesne varijable sa međuodnosima koji se u matematičkoj formulaiji mogu izraziti s dvije obične diferenijalne jednadžbe: da, 5 A, 5 Z A dt dz Z 0, 0 A Z dt (.) (.) Početni uvjeti izraženi su jednakostima A(0)=0 i Z(0)=.. Metoda Runge-Kutta. Reda Diferenijalne jednadžbe dijelimo na obične diferenijalne jednadžbe (ODJ) i parijalne diferenijalne jednadžbe (PDJ) ovisno o tome da li se radi o funkiji jedne ili više varijabli. U ovom slučaju se bavimo samo rješavanjem obični diferenijalni jednadžbi. Rješenje diferenijalne jednadžbe je funkija koja zadovoljava diferenijalnu jednadžbu uz određene početne i/ili rubne uvjete. Pri analitičkom rješavanju diferenijalni jednadžbi

obično se pronalaze općenita rješenja koja sadrže proizvoljne konstante koje se zatim izračunavaju na osnovu početni uvjeta. Za rješenje diferenijalne jednadžbe n-tog reda mora biti poznato n nezavisni uvjeta. Analitičke metode su ograničene samo na linearne jednadžbe prvog reda, te linearne jednadžbe s konstantnim koefiijentima ako je red jednadžbe veći od jedan. Numeričke metode nemaju takvi ograničenja. Rješenja diferenijalni jednadžbi numeričkim metodama se dobivaju u obliku tablie vrijednosti funkije za različite vrijednosti jedne ili više nezavisni varijabli, ali ne kao funkijska ovisnost. Ako se promjene početni uvjeti potrebno je nanovo računati vrijednosti u toj tablii. Obična diferenijalna jednadžba prvog reda većinom je zadana o obliku: dy = f x,y y x 0 = y 0 dx (.) Diferenijalnu jednadžbu definiranu s: dy = f x,y y x 0 = y 0 dx na intervalu x x 0, n podintervala, označivši: možemo rješavati tako da podijelimo interval x 0, x n na n jednaki x - x n n 0 =, x i = x 0 + i, i = 0,,...,n. Sada y i+, aproksimaiju rješenja u točki x i+, računamo iz y i korištenjem aproksimaije oblika y x +» y x + Φ x, y x,, f te dobivamo rekurziju: y» y + Φ x, y,, f i = 0,,..., n - (.) i+ i i i Funkiju Φ nazivamo funkija prirasta, a različit izbor te funkije definira različite metode. Uočimo da je funkija f iz diferenijalne jednadžbe parametar od Φ (tj. Φ zavisi o f). Metode oblika (.) zovemo jednokoračne metode (jer za aproksimaiju yi+ koristimo samo vrijednost y i u pretodnoj točki x i, tj. u jednom koraku dobijemo y i+ iz y i ). Da bismo

pojednostavili zapis, ubuduće ćemo f izostaviti kao argument funkije Φ. O odabiru funkije Φ ovisi i točnost metode. Najpoznatije jednokoračne metode su Runge Kutta metode. Kod nji je funkija Φ oblika r j j j= Φ x, y, = ω k x, y, (.) a k j su zadani s: r kj x, y, = f x + j, y + ajlkl x, y,, j =,,..., r l= (.) Broj r zovemo redom Runge - Kutta (RK) metode i on označava koliko puta moramo računati funkiju f u svakom koraku. Različit izbor koefiijenata j, j i a jl definira različite RK metode. Ovi koefiijenti se najčešće biraju tako da red metode bude što je moguće veći. Ako je j>l, tada metoda postaje ekspliitna, odnosno k j možemo računati preko k i. yk j-. Primjer odabira koefiijenata prikazuje se na RK metodi drugog reda: x, y, = f x, y x, y, = f x, y k Φ x, y, = ω k x, y, + ω k x, y, k k Razvojem k u Taylorov red te sređivanjem zapisa dobije se: k x, y, = f + f a + f af + f a + f a f + f a f + R x y xx xy yy gdje su: f x i f y prve parijalne derivaije funkije f=f(x,y) po x, odnosno y, a f xx, f xy i f yy odgovarajuće druge parijalne derivaije. Razvoj rješenja diferenijalne jednadžbe y(x) ima oblik: y x + = y x + f + f + f f + f + f f + f f + f f + f f + R 6 x y xx xy yy y x y Ovdje je iskorišteno da je y(x) rješenje diferenijalne jednadžbe: yx = f x, y = f te su korištena pravila za deriviranje:

y x = f x, y = f = f + f f x xx xy yy y x y y x = f x, y = f = f + f f + f f + f f + f f y Sada je pogreška odsijeanja diskretizaije jednaka: y x + - y x y x + - y x - Φx, y x, = - ωk x, y, + ωk x, y, = - ω - ω f + f x + fy f - ωa + ωa 6 6 + fxx + fxy f + fyy f - + fy f x + fy f + R Da bi metoda bila. reda koefiijente treba odabrati tako da se poništi prvi član u gornjem razvoju, odnosno da vrijedi: -ω- ω = 0 Ukoliko je zadovoljeno i - ω a = 0 metoda će biti. reda. Uvođenjem slobodnog koefiijenta t rješenje ove dvije jednadžbe možemo napisati u obliku: ω = t 0, ω = - t, a = t Može se uočiti da se t ne može odabrati tako da se poništi i član uz tako da metoda bude. reda. Ukoliko je ω = 0, radi se o metodi. reda, i to upravo o Eulerovoj metodi. Za t = / dobiva se poboljšana Eulerova, odnosno Heunova metoda: Φ = k = f k = f k + k x, y x +, y + k Najraširenije su metode četvrtog reda. Odgovarajuće jednadžbe koje moraju zadovoljavati koefiijenti RK metoda su:

ω + ω + ω + ω = ω + ω = ω + ω = ωa + ω a + a = 6 ω + ω = (.5-.) ωa + ω a + a = ωa + ω a + a = 8 ωaa = gdje je: = 0 Uvjet.5 treba biti zadovoljen da bi metoda bila reda, uvjet.6 za red, uvjeti.7 i.8 za red, dok za red trebaju biti ispunjeni uvjeti.9-.. Ukupno ima 0 koefiijenata i 8 jednadžbi ukoliko je metoda reda. Za metodu reda uvrštavanjem članova = ω = 0 dobiva se 9 koefiijenata i 7 jednadžbi. Metoda reda može postići najviše red točnosti, tj. ne mogu se dva stupnja slobode iz sustava jednadžbi iskoristiti da se red točnosti metode podigne na 5. Općenito, za metode reda jedan, dva, tri i četiri, najveći mogući red točnosti odgovara redu metode. Za metode reda 5, 6 i 7 red točnosti metode je, 5 i 6, dok je za metode reda 8 i više najveći mogući red točnosti za barem dva manji od reda metode. To je razlog što su metode reda najpopularnije. Red točnosti je, a da bi se povećao na 5, mora se povećati red metode za barem što povećava složenost metode. Najpopularnija RK metoda je klasična Runge-Kutta metoda: 5

Φ = k + k + k + k 6 k = f x, y ; k = f x +, y + k k = f x +, y + k ; k = f x +, y + k Pomoću jednadžbi. i. definiraju se koefiijenti:,,,,,,,, a, a, a, a, a. U klasičnoj Runge-Kutta metodi navedeni koefiijenti imaju vrijednosti: ω =, ω =, ω =, ω = 6 6 6 6 a =, a = 0, a =, a = 0, a = 0, a = gdje je pretodno definirano: = 0 = = = Uvrštavanjem vrijednosti koefiijenata u jednadžbe.5-. zadovoljeni su navedeni uvjeti. ω + ω + ω + ω = + + + = 6 6 6 6 ω + ω = + + = = 6 6 6 6 ω + ω = + + = = 6 6 6 ωa + ω a + a = + 0 + = = 6 6 6 6 ω + ω = + + = = 6 8 6 8 6 ωa + ω a + a = + 0 + = = 6 6 ωa + ω a + a = + 0 + = = 6 6 8 ωaa = = 6 (.5-.) 6

. Rezultati provedeni analiza Rezultati rješavanja sustava jednadžbi. i. sa postavljenim početnim uvjetima prikazani su na slikama.. (vremenske serije za obje proesne varijable A i Z ) i. (dijagram međuovisnosti). Slika. Dinamike populaije fitoplanktona i zooplanktona temeljem rješavanja sustava diferenijalni jednadžbi s metodom Runge-Kutta. Reda (prikazano je 7 irklusa) Slika. Dijagram međuovisnosti proesni varijabli A (fitoplankton) i Z (zooplankton) 7