Текст подпрограммы и версий
de10r_c.zip , de10d_c.zip
Тексты тестовых примеров
tde10r_c.zip , tde10d_c.zip

Подпрограмма:  de10r_c

Назначение

Вычисление решения задачи Коши для системы обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка в конце интервала интегрирования методом Mеpсона.

Математическое описание

Решается задача Коши для системы M обыкновенных дифференциальных уравнений

          Y ' = F (X, Y) ,
          Y = ( y1, ... , yM ) ,
          F = ( f1 (X, y1, ... , yM), ... , fM (X, y1, ... , yM) )
 с начальными условиями, заданными в точке XN :
          Y(XN) = YN ,     YN = ( y10, ... , yM0 ) ,
 методом Mеpсона. 

Решение вычисляется в одной точке XK, которая является концом интервала интегрирования. Каждая компонента решения вычисляется с контролем точности по относительной погрешности на тех участках интервала интегрирования, на которых модуль этой компоненты больше некоторого наперед заданного числа Р (это число называется границей перехода), и по абсолютной погрешности на остальных участках, т.е. там, где модуль проверяемой на точность компоненты меньше этого числа.

Дж.Н.Ланс, Численные методы для быстродействующих вычислительных машин, Изд-во иностранной литературы, M., 1962.

Использование

    int de10r_c (S_fp f, integer *m, real *xn, real *yn, real *xk,
                 real *hmin, real *eps, real *p, real *h, real *y, real *ra,
                 integer *ierr)

Параметры

f - имя подпрограммы вычисления значений правой части дифференциального уравнения. Первый оператоp подпрограммы должен иметь вид:
int f (float *x, float *y, float *dy, int *m).
Здесь: x, y - значения независимой и зависимой переменных, соответственно. Вычисленное значение правой части должно быть помещено в dy. B случае системы уравнений, т.е. когда m ≠ 1, параметры y и dy представляют массивы длины m (тип параметров x, y и dy: вещественный);
m - количество уравнений в системе (тип: целый);
xn, yn - начальные значения аргумента и решения. В случае системы уравнений (т.е. m ≠ 1) yn представляет одномерный массив длины m (тип: вещественный);
xk - значение аргумента, при котоpом требуется вычислить решение задачи Коши (конец интервала интегрирования). xk может быть больше, меньше или pавно xn (тип: вещественный);
hmin - минимальное значение абсолютной величины шага, который разрешается использовать при интегрировании данной системы уравнений (тип: вещественный);
eps - допустимая меpа погрешности, с которой требуется вычислить все компоненты решения (тип: вещественный);
p - граница перехода, используемая при оценке погрешности решения (тип: вещественный);
h - вещественная переменная, содержащая начальное значение шага интегрирования. Может задаваться с учетом направления интегрирования, т.е. положительным, если xk > xn, отрицательным, если xk < xn, или без всякого учета в виде абсолютной величины;
y - искомое решение задачи Коши, вычисленное подпрограммой при значении аргумента xk. Для системы уравнений (когда m ≠ 1) задается одномерным массивом длины m. В случае совпадения значений параметров xn и xk значение y полагается равным начадьному значению yn (тип: вещественный);
ra - одномерный рабочий массив вещественного типа длины 4*m.
ierr - целая переменная, значение которой в результате работы подпрограммы полагается равным 65, если какая-нибудь компонента решения не может быть вычислена с требуемой точностью eps. B этом случае интегрирование системы прекращается. При желании интегрирование системы можно повторить обращением к подпрограмме с новыми значениями параметров hmin и h.

Версии

de10d_c - вычисление решения задачи Коши для системы обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка в конце интервала интегрирования методом Mеpсона с повышенной точностью. При этом параметры xn, yn, xk, hmin, eps, p, h, y, ra и параметры x, y и dy в подпрограмме f должны иметь тип double.

Вызываемые подпрограммы

utde10_c - подпрограмма выдачи диагностических сообщений при работе подпрограммы de10r_c.
utde11_c - подпрограмма выдачи диагностических сообщений при работе подпрограммы de10d_c.

Замечания по использованию

 

Подпрограммы de10r_c и de10d_c предназначены для численного решения дифференциальных уравнений и систем уравнений с правой частью, имеющей непрерывные частные производные вплоть до 5 порядка включительно. Они являются эффективными для нежестких уравнений и систем уравнений с несложными правыми частями (т.е. не являющимися трудоемкими для вычислений). Хотя заданная точность eps не гарантируется в общем случае, большой опыт эксплуатации данной подпрограммы убедительно показывает, что вычисляемое ею численное решение достаточно близко приближает точное решение.

При работе подпрограммы значения параметров m, xn, yn, xk, hmin, eps и p сохраняются. Если после работы подпрограммы нет необходимости иметь начальное значение решения yn, то параметры yn и y при обращении к ней можно совместить. При работе подпрограммы счета правой части f значения параметров x, y и dy не должны изменяться.

Пример использования

Использование подпрограммы иллюстрируется на примере:

          y '1  =  y2 ,
          y '2  =  -y1 ,      3π/4 ≤ x ≤ π

          y1(3π/4)  =  √2 / 2 ,      y2(3π/4)  =  - √2 / 2

Приводятся подпрограмма вычисления значений правой части и фрагмент вызывающей (основной) программы, а также результаты счета.

int main(void)
{
    /* Builtin functions */
    double sqrt(double);

    /* Local variables */
    extern int de10r_c(U_fp, int *, float *, float *, float *, float *,
                       float *, float *, float *, float *, float *, int *);
    static float hmin;
    static int ierr;
    extern int f_c();
    static float h__;
    static int m;
    static float p, y[2], ra[8], xk, xn, eps;

    m = 2;
    xn = 2.3561944901925003f;
    h__ = .01f;
    y[0] = (float)sqrt(2.) / 2.f;
    y[1] = -y[0];
    xk = 3.14159265359f;
    hmin = 1e-4f;
    eps = 1e-5f;
    p = 1e-7f;
    de10r_c((U_fp)f_c, &m, &xn, y, &xk, &hmin, &eps, &p, &h__, y, ra, &ierr);

    printf("\n %16.7e \n", xk);
    printf("\n %16.7e %16.7e \n", y[0], y[1]);
    return 0;
} /* main */

int f_c(float *x, float *y, float *z, int *m)
{
    /* Parameter adjustments */
    --z__;
    --y;

    /* Function Body */
    z__[1] = y[2];
    z__[2] = -y[1];
    return 0;
} /* f_c */


Результаты:
       
          y (1)  =   0.4495909707 * 10-8
          y (2)  =  -0.9999999996

          ierr  =  0