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单步法解一阶常微分方程初值问题

(一)     欧拉公式法

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对于初值问题(1),对其可积区间[]进行等分,步长为,对应的离散节点为:

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由于初值问题(1)是适定的,因此求该初值问题在离散点处的解析解,即为在平面上的一族满足方程的积分曲线中找出过点的那一条,进而求出点的坐标。但是积分曲线是未知的,我们仅仅知道这条曲线在处的切线的斜率为,当很小时,用过点的点斜式直线方程在处的值来近似代替,即

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得到近似值后,过点又有一条积分曲线,用同样的方法可以确定依次类推,得到的递推公式: copyright paper51.com

                ()           (2)

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(2)式就是欧拉公式。 copyright paper51.com

对于欧拉公式法,若步长不是很小时,随着步数增加而产生的累积误差较大,即用欧拉公式法计算出的结果的精度较差,故不很实用(但在解不很光滑的情况下有时只能用它)。即便如此,它的一些特性和研究方法对于更复杂的方法具有普遍意义。 内容来自论文无忧网 www.paper51.com

欧拉公式还可以用下面几种不同的方法导出:

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1.用一阶向前差商代替一阶导数,即:

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        (3)

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分别是的近似值,即得到欧拉公式(2)。 内容来自论文无忧网 www.paper51.com

2.对于,在上两边积分得: 内容来自www.paper51.com

                          (4) 内容来自论文无忧网 www.paper51.com

对(4)式中的积分采用左矩形积分公式得到(3)式,进而得到(2)式。

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    3.假设函数具有二阶连续导数,利用泰勒公式将处展开得,

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略去上式中的项后也得(3)式,进而得(2)式。 paper51.com

在欧拉公式中,计算的值只用到前一步的,称这样的方法为单步法。因此,欧拉公式法就是单步法,单步法的一般形式为:

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   (…),其中称为增量函数。 paper51.com

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