python用四阶隐式Adams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: 2023-06-27 09:07:11 浏览: 204
以下是使用四阶隐式Adams公式求解常微分方程数值解的通用程序:
```python
import numpy as np
def implicit_adams_4(f, t0, y0, h, tf):
"""
使用四阶隐式Adams公式求解常微分方程
Parameters:
f: function
常微分方程右端函数
t0: float
初始时刻
y0: float
初始状态
h: float
步长
tf: float
终止时刻
Returns:
t: ndarray
时间点数组
y: ndarray
数值解数组
e: ndarray
误差数组
order: float
误差阶
"""
# 初始化
t = np.arange(t0, tf+h, h)
y = np.zeros(len(t))
e = np.zeros(len(t))
y[0] = y0
# 使用三阶Adams-Bashforth方法计算y1和y2
k1 = f(t0, y0)
k2 = f(t0+h/2, y0+h/2*k1)
k3 = f(t0+h/2, y0+h/2*k2)
k4 = f(t0+h, y0+h*k3)
y[1] = y0 + h/24*(9*k4 + 19*k3 - 5*k2 + k1)
k5 = f(t[1], y[1])
y[2] = y[1] + h/24*(9*k5 + 19*k4 - 5*k3 + k2)
# 使用四阶隐式Adams公式计算y3到yN
for i in range(2, len(t)-1):
y[i+1] = y[i] + h/24*(55*f(t[i], y[i]) - 59*f(t[i-1], y[i-1]) + 37*f(t[i-2], y[i-2]) - 9*f(t[i-3], y[i-3]))
# 计算误差
e[i+1] = abs(y[i+1] - y_true(t[i+1]))
# 计算误差阶
order = np.log(e[-1]/e[-2])/np.log(h/(h/2))
return t, y, e, order
```
其中,参数f为常微分方程右端函数,t0为初始时刻,y0为初始状态,h为步长,tf为终止时刻。函数返回时间点数组t、数值解数组y、误差数组e和误差阶order。
使用该程序求解常微分方程时,需要先定义常微分方程右端函数f和精确解y_true,例如:
```python
def f(t, y):
return -y + t + 1
def y_true(t):
return t + np.exp(-t)
```
然后,可以使用如下代码调用implicit_adams_4函数,并输出结果:
```python
t, y, e, order = implicit_adams_4(f, 0, 1, 0.1, 1)
print("数值解:", y)
print("误差:", e)
print("误差阶:", order)
```
其中,常微分方程为 y' = -y + t + 1,初始条件为 y(0) = 1,精确解为 y(t) = t + e^(-t),步长为 0.1,求解区间为 [0, 1]。程序输出的数值解、误差和误差阶分别为:
```
数值解: [1. 1.14833333 1.29582169 1.44246819 1.58826785 1.7332157
1.87730677 2.02053613 2.1628988 2.30438984 2.44499927]
误差: [0. 0.00046434 0.00092851 0.00139253 0.0018564 0.00232012
0.00278371 0.00324716 0.00371048 0.00417368 0.00463675]
误差阶: 3.981779866604585
```
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