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常用算法几种数字积分法

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常用算法几种数字积分法(图1)

  由公式可看出,只要我们给出方程的初值(t0,y0)以及相应的步距,逐步进行递推就可获得微分方程的近似数字解。

  欧拉法的计算是十分简单的,其计算误差正比于,由此,要获得高精度解,必须减小步距,但这使得计算次数增加,又由于计算机的字长有限,h减小得过小,将引入舍入误差,所以此方法的精度提高有限,实际应用中较少采用。

  从此式可以看出,要求得的值,等式右边中含有未知函数,所以不能得到的值,但如果我们用已知的函数值来代替,用不变取代变化的函数,即

  用此矩形的面积的算法,其计算误差是显然的(欧拉法),为了提高精度,我们可以用梯形面积来取代矩形的面积,即

  应用上式求积分,产生了新的问题,即在计算时,要用,而不知,则是未知的,要获得,通常可用迭代方法,即在与之间迭代多次,使其计算的逐步收敛于,即

  如果序列极限存在,则当时,,要保证上述极限存在,只要选取h小到一定程度,就能得到满足。

  当选取一定的满足了收敛条件,但在计算上要迭代多次才认为求得了准确值,迭代次数越多,计算精度越高,但计算工作量加大,所以一般只迭代一次即可,则算法写成

  上式为预报校正公式。应用梯形近似进行校正求得的值,实际上此方法是将欧拉法与梯形法的结合的一种算法,计算量比欧拉法增加了一倍。

  由于在台劳级数中只保留了以下的项,所以称为二阶龙格-库塔法,此法的截断误差正比于。比较(2)式,这组公式完全一样,其计算工作量完全相同,从而也证明了梯形法的截断误差正比于。

  如果我们要求更高的计算精度,可保留级数的及以下的项,其此时的截断误差正比于,其公式就是在仿真中用得较广泛的四阶龙格-库塔法,它有多种写法,其中一种为:

  采用公式(7)和(8),在计算时只用到上一次的值,而与更前的值无关,具有这种计算法称为一步法。在计算中,步长h是可以变化的,其变化范围是可以根据精度要求而定。

  前面的算法是以一阶一元微分方程而得到的,但一般系统均是高于一阶的,根据控制原理可知,高阶系统的模型可化成n元一次微分方程组的形式,这种模型结构为线性微分方程组:

  A是一个n×n阶方阵,B是一个n×m阶方阵,y为n阶向量,n是系统的阶数,m为系统的输入个数,u为m阶输入向量,其中

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