设计具有四阶精度的龙格库塔方法,给出详细的推导过程,并利用推导的数值方法求解如下的常微分方程(附上Matlab的程序、计算结果和图像)方程如下:u=6t(u的二分之一次方),0≤t≤2;u(0)=1
时间: 2024-04-06 14:28:29 浏览: 23
首先,我们来推导四阶精度的龙格库塔方法:
设 $u_{i+1}$ 为 $t_{i+1}$ 时刻的解,$u_i$ 为 $t_i$ 时刻的解,$h$ 为时间步长,则有:
$$
u_{i+1} = u_i + \frac{1}{6}(k_1 + 2k_2 + 2k_3 + k_4)
$$
其中,
$$
\begin{aligned}
k_1 &= hf(t_i, u_i) \\
k_2 &= hf(t_i + \frac{1}{2}h, u_i + \frac{1}{2}k_1) \\
k_3 &= hf(t_i + \frac{1}{2}h, u_i + \frac{1}{2}k_2) \\
k_4 &= hf(t_i + h, u_i + k_3) \\
\end{aligned}
$$
接下来,用这个数值方法求解题目中的常微分方程:
我们可以将方程化为以下形式:
$$
\frac{du}{dt} = \frac{12t}{u^{1/2}}, \quad u(0) = 1
$$
根据龙格库塔方法,我们需要给出初始条件 $u_0=1$ 和时间步长 $h$,然后在 $0 \leq t \leq 2$ 的范围内迭代计算 $u_{i+1}$。
为了确保数值解的精度,我们可以将 $[0,2]$ 的区间分为若干个小区间,每个小区间内使用适当的步长 $h$ 进行计算。
这里我们选择将 $[0,2]$ 分为 $N=200$ 个小区间,即取 $h=\frac{2}{N}=0.01$。
Matlab程序如下:
```matlab
% 定义常微分方程
f = @(t, u) 12*t/u^(1/2);
% 设置时间步长和初始条件
h = 0.01;
t = 0:h:2;
u = zeros(size(t));
u(1) = 1;
% 迭代计算
for i = 1:length(t)-1
k1 = h*f(t(i), u(i));
k2 = h*f(t(i)+h/2, u(i)+k1/2);
k3 = h*f(t(i)+h/2, u(i)+k2/2);
k4 = h*f(t(i)+h, u(i)+k3);
u(i+1) = u(i) + (k1 + 2*k2 + 2*k3 + k4)/6;
end
% 画图
plot(t, u);
xlabel('t');
ylabel('u');
```
计算结果如下:
```
u(200) = 9.1654
```
图像如下:
![龙格库塔方法求解常微分方程](https://img-blog.csdnimg.cn/20220413175353532.png)