python用四阶Runge-Kutta公式编写求解常微分方程数值解的通用程序,并输出误差和误差阶
时间: 2023-07-14 20:14:16 浏览: 230
四阶Runge-Kutta法解常微分方程组
好的,下面提供一个常微分方程数值解的通用程序,使用四阶Runge-Kutta公式进行求解:
```python
import numpy as np
def rk4(f, y0, t0, tf, h):
"""
使用四阶Runge-Kutta方法求解常微分方程初值问题的数值解
Args:
f: 函数,表示常微分方程 dy/dt = f(t, y) 中的右侧函数
y0: 数组,表示初始时刻 t0 时的 y 值
t0: 实数,表示初始时刻
tf: 实数,表示终止时刻
h: 实数,表示步长
Returns:
ys: 数组,表示求解出的数值解 y 的序列
ts: 数组,表示求解出的时间 t 的序列
error: 实数,表示求解误差
order: 实数,表示误差阶
"""
n = int((tf - t0) / h)
ts = np.linspace(t0, tf, n+1)
ys = np.zeros((n+1, len(y0)))
ys[0] = y0
for i in range(n):
k1 = f(ts[i], ys[i])
k2 = f(ts[i] + 0.5 * h, ys[i] + 0.5 * h * k1)
k3 = f(ts[i] + 0.5 * h, ys[i] + 0.5 * h * k2)
k4 = f(ts[i] + h, ys[i] + h * k3)
ys[i+1] = ys[i] + h * (k1 + 2*k2 + 2*k3 + k4) / 6
# 计算误差和误差阶
y_exact = np.exp(-ts)
error = np.max(np.abs(ys - y_exact))
order = np.log2(error / (h**4))
return ys, ts, error, order
```
使用时,可以调用上述函数并传入相应的参数,例如:
```python
def f(t, y):
return -y
y0 = np.array([1.0])
t0 = 0.0
tf = 5.0
h = 0.1
ys, ts, error, order = rk4(f, y0, t0, tf, h)
print("数值解:", ys)
print("误差:", error)
print("误差阶:", order)
```
其中,`f` 表示常微分方程 dy/dt = f(t, y) 中的右侧函数,`y0` 表示初始时刻 t0 时的 y 值,`t0` 和 `tf` 分别表示初始时刻和终止时刻,`h` 表示步长。函数将返回求解出的数值解 `ys` 和时间序列 `ts`,以及误差 `error` 和误差阶 `order`。
以上是一个简单的例子,可以根据具体的常微分方程和初始条件进行修改。
需要注意的是,误差和误差阶的计算是基于一个已知的精确解(例如上述例子中的 y=exp(-t)),如果没有提供精确解,就无法计算误差和误差阶。
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