ode89

Решение нежестких дифференциальных уравнений — высокого уровня метод

Описание

пример

[t,y] = ode89(odefun,tspan,y0), где tspan = [t0 tf], интегрирует систему дифференциальных уравнений y'=f(t,y) от t0 к tf с начальными условиями y0. Каждая строка в массиве решения y соответствует значению, возвращенному в вектор-столбце t.

Весь MATLAB® Решатели ОДУ могут решить системы уравнений формы y'=f(t,y), или проблемы, которые включают большую матрицу, M(t,y)y'=f(t,y). Решатели используют подобные синтаксисы. ode23s решатель может решить задачи с большой матрицей, только если большая матрица является постоянной. ode15s и ode23t может решить задачи с большой матрицей, которая сингулярна, известна как дифференциально-алгебраические уравнения (ДАУ). Задайте большую матрицу с помощью Mass опция odeset.

[t,y] = ode89(odefun,tspan,y0,options) также использует настройки интегрирования, заданные options, то, которое является аргументом, создало использование odeset функция. Например, установите AbsTol и RelTol опции, чтобы задать допуски абсолютной и относительной погрешности или установить Mass опция, чтобы обеспечить большую матрицу.

[t,y,te,ye,ie] = ode89(odefun,tspan,y0,options) дополнительно находит, где функции (t, y), вызвал функции события, являются нулем. В выходе, te время события, ye решение во время события и ie индекс инициированного события.

Для каждой функции события задайте, должно ли интегрирование завершить работу в нуле и является ли направление нулевого пересечения значительным. Сделайте это путем установки 'Events' опция odeset к функции, такой как myEventFcn или @myEventFcn, и создайте соответствующую функцию: Значение, isterminal, direction] = myEventFcnTY). Для получения дополнительной информации смотрите Местоположение События ОДУ.

sol = ode89(___) возвращает структуру, которую можно использовать с deval оценивать решение в любой точке на интервале [t0 tf]. Можно использовать любую из комбинаций входных аргументов в предыдущих синтаксисах.

Примеры

свернуть все

Простые ОДУ, которые имеют компонент единого решения, могут быть заданы как анонимная функция в вызове решателя. Анонимная функция должна принять два входных параметров (t,y), даже если одни из входных параметров не используются в функции.

Решите ОДУ

y=2t.

Задайте временной интервал [0 5] и начальное условие y0 = 0.

tspan = [0 5];
y0 = 0;
[t,y] = ode89(@(t,y) 2*t, tspan, y0);

Постройте решение.

plot(t,y,'-o')

Figure contains an axes object. The axes object contains an object of type line.

Уравнение Ван дер Поля является ОДУ второго порядка

y1-μ(1-y12)y1+y1=0,

где μ>0 скалярный параметр. Перепишите это уравнение как систему ОДУ первого порядка путем создания замены y1=y2. Получившаяся система ОДУ первого порядка

y1=y2y2=μ(1-y12)y2-y1.

Файл функции vdp1.m представляет использование уравнения Ван дер Поля μ=1. Переменные y1 и y2 записи y(1) и y(2) из двухэлементного векторного dydt.

function dydt = vdp1(t,y)
%VDP1  Evaluate the van der Pol ODEs for mu = 1
%
%   See also ODE113, ODE23, ODE45.

%   Jacek Kierzenka and Lawrence F. Shampine
%   Copyright 1984-2014 The MathWorks, Inc.

dydt = [y(2); (1-y(1)^2)*y(2)-y(1)];

Решите ОДУ с помощью ode89 функция на временном интервале [0 20] с начальными значениями [2 0]. Получившийся выход является вектор-столбцом моментов времени t и массив решения y. Каждая строка в y соответствует времени, возвращенному в соответствующей строке t. Первый столбец y соответствует y1, и второй столбец соответствует y2.

[t,y] = ode89(@vdp1,[0 20],[2; 0]);

Постройте решения для y1 и y2 против t.

plot(t,y(:,1),'-o',t,y(:,2),'-o')
title('Solution of van der Pol Equation (\mu = 1) with ODE89');
xlabel('Time t');
ylabel('Solution y');
legend('y_1','y_2')

Figure contains an axes object. The axes object with title S o l u t i o n blank o f blank v a n blank d e r blank P o l blank E q u a t i o n blank ( mu blank = blank 1 ) blank w i t h blank O D E 8 9 contains 2 objects of type line. These objects represent y_1, y_2.

ode89 работает только с функциями, которые используют два входных параметра, t и y. Однако можно передать дополнительные параметры путем определения их вне функции и передачи их в том, когда вы задаете указатель на функцию.

Решите ОДУ

y=ABty.

При перезаписи уравнения, когда уступает система первого порядка

y1=y2y2=ABty1.

odefcn, локальная функция в конце этого примера, представляет эту систему уравнений как функцию, которая принимает четыре входных параметра: tYA, и B.

function dydt = odefcn(t,y,A,B)
  dydt = zeros(2,1);
  dydt(1) = y(2);
  dydt(2) = (A/B)*t.*y(1);
end

Решите ОДУ с помощью ode89. Задайте указатель на функцию так, чтобы он передал предопределенные значения для A и B к odefcn.

A = 1;
B = 2;
tspan = [0 5];
y0 = [0 0.01];
[t,y] = ode89(@(t,y) odefcn(t,y,A,B), tspan, y0);

Постройте график результатов.

plot(t,y(:,1),'-o',t,y(:,2),'-.')

Figure contains an axes object. The axes object contains 2 objects of type line.

function dydt = odefcn(t,y,A,B)
  dydt = zeros(2,1);
  dydt(1) = y(2);
  dydt(2) = (A/B)*t.*y(1);
end

По сравнению с ode45, ode113, ode78, и ode89 решатели лучше в решении задач со строгими ошибочными допусками. Общая ситуация, где эти решатели выделяются, находится в орбитальных проблемах динамики, где кривая решения является гладкой и требует высокой точности на каждом шаге от решателя.

Проблема 2D тела считает две взаимодействующих массы m1 и m2 перемещения по кругу вокруг общей плоскости. В этом примере одна из масс значительно больше, чем другой. С тяжелым телом в начале координат уравнения движения

x=-x/r3y=-y/r3,

где

r=x2+y2.

Чтобы решить задачу, сначала преобразуйте в систему четырех ОДУ первого порядка с помощью замен

y1=xy2=xy3=yy4=y.

Замены создают систему первого порядка

y1=y2y2=-y1/r3y3=y4y4=-y3/r3.

twobodyode, локальная функция, включенная в конце этого примера, кодирует систему уравнений для проблемы 2D тела.

function dy = twobodyode(t,y)
% Two-body problem with one mass much larger than the other.
r = sqrt(y(1)^2 + y(3)^2);
dy = [y(2); 
     -y(1)/r^3;
      y(4);
     -y(3)/r^3];
end

Решите систему ОДУ с помощью ode89. Задайте строгие ошибочные допуски 1e-13 для RelTol и 1e-14 для AbsTol.

opts = odeset('Reltol',1e-13,'AbsTol',1e-14,'Stats','on');
tspan = [0 10*pi];
y0 = [2 0 0 0.5];
[t,y] = ode89(@twobodyode, tspan, y0, opts);
243 successful steps
0 failed attempts
5103 function evaluations
plot(t,y)
legend('x','x''','y','y''','Location','SouthEast')
title('Position and Velocity Components')

Figure contains an axes object. The axes object with title Position and Velocity Components contains 4 objects of type line. These objects represent x, x', y, y'.

figure
plot(y(:,1),y(:,3),'-o',0,0,'ro')
axis equal
title('Orbit of Smaller Mass')

Figure contains an axes object. The axes object with title Orbit of Smaller Mass contains 2 objects of type line.

По сравнению с ode45, ode89 решатель может получить решение быстрее и с меньшим количеством шагов и вычислений функции.

function dy = twobodyode(t,y)
% Two-body problem with one mass much larger than the other.
r = sqrt(y(1)^2 + y(3)^2);
dy = [y(2); 
    -y(1)/r^3;
    y(4);
    -y(3)/r^3];
end

Входные параметры

свернуть все

Функции, чтобы решить в виде указателя на функцию, который задает функции, которые будут интегрированы.

Функциональный dydt = odefun(t,y), для скалярного t и вектор-столбец y, должен возвратить вектор-столбец dydt из типа данных single или double это соответствует f(t,y)odefun должен принять оба входных параметра t и y, даже если один из аргументов не используется в функции.

Например, чтобы решить y'=5y3, используйте функцию:

function dydt = odefun(t,y)
dydt = 5*y-3;
end

Для системы уравнений, выхода odefun вектор. Каждым элементом в векторе является решение одного уравнения. Например, чтобы решить

y'1=y1+2y2y'2=3y1+2y2

используйте функцию:

function dydt = odefun(t,y)
dydt = zeros(2,1);
dydt(1) = y(1)+2*y(2);
dydt(2) = 3*y(1)+2*y(2);
end

Для получения информации о том, как предоставить дополнительные параметры функции odefun, смотрите Функции Параметризации.

Пример: @myFcn

Типы данных: function_handle

Интервал интегрирования в виде вектора. Как минимум, tspan должен быть двухэлементный векторный [t0 tf] определение начальных и итоговых времен. Получить решения в конкретные моменты времени между t0 и tf, используйте более длинный вектор из формы [t0,t1,t2,...,tf]. Элементы в tspan должен все увеличиваться или все уменьшение.

Решатель налагает начальные условия, данные y0 в начальное время tspan(1), и затем объединяется от tspan(1) к tspan(end):

  • Если tspan имеет два элемента [t0 tf], затем решатель возвращает решение, оцененное в каждом внутреннем этапе интеграции в интервале.

  • Если tspan имеет больше чем два элемента [t0,t1,t2,...,tf], затем решатель возвращает решение, оцененное в данных точках. Однако решатель не продвигается точно в каждую точку, заданную в tspan. Вместо этого решатель использует свои собственные внутренние шаги, чтобы вычислить решение, и затем оценивает решение в требуемых точках в tspan. Решения, произведенные в заданных точках, имеют тот же порядок точности как решения, вычисленные на каждом внутреннем шаге.

    Определение нескольких промежуточных точек оказывает мало влияния на КПД расчета, но может влиять на управление памятью для больших систем.

Значения tspan используются решателем, чтобы вычислить подходящие значения для InitialStep и MaxStep:

  • Если tspan содержит несколько промежуточных точек [t0,t1,t2,...,tf], затем заданные точки дают индикацию относительно шкалы для проблемы, которая может влиять на значение InitialStep используемый решателем. Поэтому решение, полученное решателем, может отличаться в зависимости от того, задаете ли вы tspan как двухэлементный вектор или как вектор с промежуточными точками.

  • Начальные и окончательные значения в tspan используются, чтобы вычислить максимальный размер шага MaxStep. Поэтому изменяя начальные или окончательные значения в tspan может заставить решатель использовать различную последовательность шага, которая может изменить решение.

Пример: [1 10]

Пример: [1 3 5 7 9 10]

Типы данных: single | double

Начальные условия в виде вектора. y0 должна быть та же длина как векторный выход odefun, так, чтобы y0 содержит начальное условие для каждого уравнения, определенного в odefun.

Типы данных: single | double

Структура опции в виде массива структур. Используйте odeset функция, чтобы создать или изменить options структура. См. Сводные данные Опций ОДУ для списка опций, совместимых с каждым решателем.

Пример: options = odeset('RelTol',1e-5,'Stats','on','OutputFcn',@odeplot) задает допуск относительной погрешности 1e-5, включает отображение статистики решателя и задает выходную функцию @odeplot построить решение, когда это вычисляется.

Типы данных: struct

Выходные аргументы

свернуть все

Точки оценки, возвращенные как вектор-столбец.

  • Если tspan содержит два элемента [t0 tf], затем t содержит внутренние точки оценки, используемые для выполнения интегрирования.

  • Если tspan содержит больше чем два элемента, затем t совпадает с tspan.

Решения, возвращенные как массив. Каждая строка в y соответствует решению в значении, возвращенном в соответствующей строке t.

Время событий, возвращенных как вектор-столбец. Времена события в te соответствуйте решениям, возвращенным в ye, и ie задает, который имело место событие.

Решение во время событий, возвращенных как массив. Времена события в te соответствуйте решениям, возвращенным в ye, и ie задает, который имело место событие.

Индекс инициированной функции события, возвращенной как вектор-столбец. Времена события в te соответствуйте решениям, возвращенным в ye, и ie задает, который имело место событие.

Структура для оценки, возвращенной как массив структур. Используйте эту структуру с deval функция, чтобы оценить решение в любой точке в интервале [t0 tf]. sol массив структур всегда включает эти поля:

Поле структурыОписание

sol.x

Вектор строка с шагом, выбранным решателем.

sol.y

Решения. Каждый столбец sol.y(:,i) содержит решение во время sol.x(i).

sol.solver

Имя решателя.

Кроме того, если вы задаете Events опция odeset и события обнаруживаются, затем sol также включает эти поля:

Поле структурыОписание

sol.xe

Точки, когда события имели место. sol.xe(end) содержит точное место терминального события, если таковые имеются.

sol.ye

Решения, которые соответствуют событиям в sol.xe.

sol.ie

Индексы в вектор, возвращенный функцией, заданы в Events опция. Значения указывают, какое событие решатель обнаружил.

Алгоритмы

ode89 реализация "большинства Вернера, устойчивого" Рунге-Кутта 9 (8) пара с 8-м порядком непрерывное расширение. Решение совершенствуется результатом 9-го порядка. 8-й порядок непрерывное расширение требует пяти дополнительных оценок odefun, но только на шагах, которые требуют интерполяции.

Ссылки

[1] Вернер, J. H. “Численно Оптимальные Пары Рунге-Кутта с Interpolants”. Числовые Алгоритмы 53, № 2-3 (март 2010): 383–396. https://doi.org/10.1007/s11075-009-9290-3.

Расширенные возможности

Введенный в R2021b
Для просмотра документации необходимо авторизоваться на сайте