不能使用numpy库,使用自带的math库,给我实现用四阶隐形Adams法求解区间[a,b]的常微分初值问题(柯西问题),并且给我代码,需要输入f epsilon a y(a) b,输出为y(b),自己定义步长并重新计算步长,函数自变量为x
时间: 2023-08-31 18:23:24 浏览: 71
使用Python实现DFT和FFT,变换的代码是通过资料手敲的,没有用numpy自带的
### 回答1:
好的,那我来给你讲解下使用四阶隐式Adams法求解常微分初值问题的原理和步骤,然后再给你代码实现。
四阶隐式Adams法是一种多步法,需要用到前面4个点的信息来估计下一个点的值,它的一般形式为:
$$
y_{n+1}=y_n+\frac{h}{24}(55f_n-59f_{n-1}+37f_{n-2}-9f_{n-3})
$$
其中,$h$ 为步长,$f_n=f(x_n,y_n)$ 为被积函数。
对于初始点 $y(a)$,我们需要使用一些单步法来计算出 $y_1,y_2,y_3$,然后才能使用四阶隐式Adams法计算 $y_4$。
具体实现步骤如下:
1. 输入 $f$,$\epsilon$,$a$,$y(a)$,$b$,设定初始步长 $h_0$。
2. 使用单步法(如欧拉法或改进的欧拉法)计算出 $y_1,y_2,y_3$。
3. 根据 $y_1,y_2,y_3$,使用四阶隐式Adams法计算出 $y_4$。
4. 计算 $y_5$,用 $y_4,y_3,y_2,y_1$ 和 $y_5$ 来估计误差 $\epsilon$。
5. 根据误差 $\epsilon$,重新计算步长 $h$。
6. 重复步骤 3-5,直到 $x=b$。
下面是使用 math 库实现四阶隐式Adams法的代码:
```python
import math
def implicit_adams(f, epsilon, a, y_a, b):
# 初始步长
h = 0.1
# 初始点
x = a
y = y_a
# 计算 y1, y2, y3
y1 = y_a + h * f(x, y)
y2 = y1 + h * f(x + h, y1)
y3 = y2 + h * f(x + 2 * h, y2)
# 计算 y4
y4 = y3 + h / 24 * (55 * f(x + 3 * h, y3) -
59 * f(x + 2 * h, y2) +
37 * f(x + h, y1) -
9 * f(x, y))
x += h
y = y4
# 重复计算直到 x=b
while x < b:
# 计算 y5
y5 = y4 + h / 24 * (9 * f(x + h, y) +
19 * f(x, y4) -
5 * f(x - h, y3) +
f(x - 2 * h, y2))
# 计算误差
delta = 19 * abs(y5 - y4) - abs(y5 - 3 * y4 + 3 * y3 - y2)
# 如果误差太大,调整步长
if delta > epsilon:
h /= 2
continue
# 更新 y 和 x
y = y5
x += h
# 更新 y1, y2, y3, y4
y1, y2, y3, y4 = y2, y3, y4, y5
# 根据误差调整步长
if delta != 0:
h *= (epsilon / delta) ** 0.25
return y
# 测试
def f(x, y):
return -2 * x * y ** 2
y_b = implicit_adams(f, 1e-6, 0, 1, 1)
print("y(b) = ", y_b)
```
注意,这里的被积函数 $f(x,y)$ 必须是一个函数,不能是一个 lambda 表达式。因为在计算误差时需要对该函数进行多次调用,如果是 lambda 表达式会导致运行效率低下。
### 回答2:
以下是使用四阶隐式Adams方法求解常微分初值问题的代码:
```python
import math
def adams_method(f, epsilon, a, ya, b):
h = 0.1 # 步长初始值
x = a
y = ya
while x < b:
h_next = h # 下一步步长初始值
x_next = x + h
y_next = y + h * f(x, y) # 使用显式Euler方法作为初始值近似解
while True:
delta = h/12 * (f(x+y) + 5*f(x_next, y_next) + f(x_next+h, y_next + h*f(x_next, y_next))) - epsilon
if abs(delta) < 1e-6: # 判断误差是否满足精度要求
break
h /= 2 # 步长减半
h_next = h
y_next = y + h * f(x, y) # 使用显式Euler方法作为初始值近似解
h = h_next
x = x_next
y = y_next
return y
# 示例函数,可根据具体问题进行修改
def f(x, y):
return y*math.cos(x)
a = 0
ya = 1
b = 1
epsilon = 0.01
y = adams_method(f, epsilon, a, ya, b)
print(y)
```
以上代码中,`adams_method` 函数实现了四阶隐式Adams方法进行求解。主要思路是在每个步长内部进行迭代,通过不断调整步长和近似解,使得误差满足给定的精度要求。
`f` 函数是示例函数,表示常微分方程的右侧函数。在实际应用中,您需要根据具体的问题来重新定义该函数。
输入参数包括 `f` 函数,求解精度 `epsilon`,区间 `[a, b]` 的起始点 `a`,起始值 `ya`,以及终点 `b`。输出为区间 `[a, b]` 上的解 `y(b)`。
请注意,该代码仅作为示例,实际应用中可能需要根据具体情况进行修改。
### 回答3:
首先,我们需要明确Adams法的迭代公式和算法步骤。
Adams法的四阶隐式迭代公式为:
y(n+1) = y(n) + h/24 * (9*f(n+1) + 19*f(n) - 5*f(n-1) + f(n-2))
其中,h为步长,f(n)表示在点n处的函数值。
下面是使用自带的math库实现用四阶隐式Adams法求解区间[a,b]的常微分初值问题的代码:
```python
import math
def adams_method(f, epsilon, a, y_a, b):
# 定义步长
h = 0.01
# 计算步数
n = int((b - a) / h)
# 初始化x和y的值
x = a
y = y_a
# 迭代计算y的值
for i in range(n):
# 计算f(n+1)
f_n1 = f(x + h, y + h * f(x, y))
# 求解y(n+1)
y_n1 = y + h / 24 * (9 * f_n1 + 19 * f(x, y) - 5 * f(x - h, y - h * f(x - h, y - h * f(x, y))) + f(x - 2 * h, y - 2 * h * f(x - h, y - h * f(x, y))))
# 判断是否满足精度要求
if abs(y_n1 - y) < epsilon:
return y_n1
# 更新x和y的值
x += h
y = y_n1
# 未达到精度要求,返回值
return None
# 示例函数f(x, y)
def f(x, y):
return math.sin(x)
# 调用Adams法求解区间[a,b]的常微分初值问题
a = 0
b = 1
epsilon = 0.0001
y_a = 0
result = adams_method(f, epsilon, a, y_a, b)
print("y(b) = ", result)
```
在代码中,我们首先定义了步长h,并根据区间[a,b]计算了步数n。然后,使用for循环进行迭代计算,其中迭代公式和步骤根据Adams法给出。最后,如果达到精度要求,即差值小于epsilon,则返回y(b)的值,否则返回None。
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