معادلات دیفرانسیل معمولی – مسایل مقدار اولیه مشاهده در قالب PDF چاپ فرستادن به ایمیل
نوشته شده توسط saeed   
جمعه, 21 اسفند 1388 ساعت 04:28

معادلات دیفرانسیل معمولی – مسایل مقدار اولیه

Ordinary Differential Equation - initial value problems

(IVPs)

با سلام خدمت تمامی دوستان  بخصوص دانشجویان فیزیک. قصد دارم بتدریج به یکسری از مسایل برنامه نویسی عمومی در زمینه فیزیک که غالبا با آن سرو کار داریم بپردازم. اولین گام ( به شرطی که با مقدمات برنامه نویسی در Matlab خصوصا کار با توابع، ماتریسها آشنا باشید) می­تواند حل معادلات دیفرانسیل معمولی باشد.

معادلات دیفرانسیل معمولی به آندسته از معادلات دیفرانسیل اطلاق می شود که تمامی متغیرهای وابسته ( بعنوان مثال x، y و z ) تنها تابعی از یک متغیر مستقل (برای مثال t) می باشند. مثال آشنا در این مورد می­تواند معادله نوسانگر هارمونیک باشد که در آن مکان نوسانگر تنها تابعی از زمان است. در مقابل معادله دیفرانسیل معمولی معادلات دیفرانسیل جزیی قرار می گیرند که نمونه بسیار آشنای آن معادله شرودینگر است که در آن تابع موج (متغیر وابسته) تابعی از مختصات مکانی و زمان (یعنی   متغیرهای مستقل ) می باشد.

ابتدا به حل مسایل مقدار اولیه (IVP) با معرفی سه روش اویلر (Euler’s method)، رانگ کوتا (Runge–Kutta method) و تابع آماده در متلب بانام ode45 می پردازیم.

1-   روش اویلر

این ساده ترین روش است. با استفاده از تقریب مشتق عددی پیشرو الگوریتم تکرار بسادگی بدست می آید :

که در آن h طول گام است. کافست با توجه به معادله دیفرانسیل تابع f(x,t) مشخص گردد و در رابطه تکرار بالا جایگذاری شود. مثال ساده زیر را در نظر بگیرید.

dy/dt+5y=6          ,   y(t=0)=2

با توجه به معادله بالا خواهیم داشت :                   f(x,t)=dy/dt=6-5y

بنابراین رابطه تکرار بصورت زیر خواهد بود،

 

نهایتا برنامه کوتاه زیر را می­توان نوشت :

clc,clear all

h=.01;

t0=0;

tf=2;

t=t0:h:tf;

y(1)=2;

N=length(t);

for i=1:N-1

y(i+1)=y(i)+h*(6-5*y(i));

end

plot(t,y)

 

 

باید  توجه داشته باشیم که هر سه روش بکار گرفته در حل مسایل

مقدار اولیه مبتنی بر حل معادله دیفرانسیل مرتبه یک می باشند در حالیکه بسیاری از معادلات دیفرانسیل مهم در فیزیک مرتبه دو هستند. در چنین مواردی با استفاده از تغییر متغیر هر معادله دیفرانسیل مرتبه دو به دو معادله دیفرانسیل مرتبه یک شکافته می شود و هر کدام از این دو معادله بصورت جداگانه با توجه به شرایط اولیه با استفاده از روش اویلر حل می­شود. بعنان مثال :

 

نوسانگر هارمونک ساده

با این توضیحات می­توانیم به حل یک مسئله استاندارد یعنی معادله حرکت نوسانگر هارمونیک بپردازیم. جسمی با جرم معین متصل به فنر تحت تاثیر نیروی بازگردانده در یک بعد حرکت نوسانی انجام می دهد با صرفنظر از نیروهای اتلافی (این مورد در روش رانگ کوتا بررسی می شود) معادله حرکت بشکل زیر است :

با تغییر متغیر v=dx/dt  جفت روابط زیر خواهیم داشت،

و بنابراین روابط تکرار مطابق مثال قبلی بدست می آیند،

 

اگر فرض کنیم که نوسانگر در لحظه t=0 بیشترین فاصله از نقطه تعادل را دارد می توانیم شرایط اولیه زیر را در نظر بگیریم،

 

برنامه زیر (Oscilator1) معادله نوسانگر هارمونیک ساده را به روش اویلر حل می کند. نمودارها x و v برحسب زمان رسم می­شوند و در پایان حرکت واقعی نوسانگر نیز بصورت انیمیشن نمایش داده می­شود.

 

function Oscilator1

% simple harmonic Oscilator- Euler's method

% by saeed babanezhad - solid state physics

close all

k=1;

m=1;

w=sqrt(k/m);

h=.1;        % time step

t0=0;         % initial time

tf=20;        % final time

t=t0:h:tf;    % time interval

N=length(t);

x=zeros(1,N); % specify size of x matrix

v=zeros(1,N); % specify size of v matrix

x(1)=1;       % initial condition for position

v(1)=0;       % initial condition for speed

for i=1:N-1

x(i+1)=x(i)+h*v(i);

v(i+1)=v(i)-h*w^2*x(i);

end

figure(1)

subplot(3,1,1)

plot(t,x)

ylabel('x')

subplot(3,1,2)

plot(t,v)

ylabel('y')

% animation

subplot(3,1,3)

% difine spring

spring=line('lineStyle','none','Marker','d',...

'MarkerSize',15,'Color','b','Xdata',[],'ydata',[]);

% difine body

body=line('Marker','s','MarkerSize',30,...

'MarkerFaceColor','r','xdata',[],'ydata',[]);

xlim([min(x) max(x)])

for i=1:N

set(body,'XData',x(i),'YData',0)

set(spring,'XData',linspace(min(x),x(i),20)...

,'YData',zeros(1,20))

drawnow

end

 

 

در مقابل سادگی روش اویلر خطای  آن نسبت به سایر روشها بیشتر است ( از مرتبه 2). در بخش بعدی می خواهم به روش رانگ کوتا ی مرتبه چهار بپردازم (خطا از مرتبه 4) که بسیار دقیقتر از روش اویلر است.

  • |217.218.81.xxx |2010-05-15 11:49:30 ناشناس
    دست شما درد نکن عالی بود استفاده کردیم
    پاسخبازگو
  • |Registered |2010-11-09 13:26:01 alireza4898
    خيلي ممنون
    خيلي هم خوب :lol:
    پاسخبازگو
  • |94.183.217.xxx |2011-04-26 10:55:25 ناشناس
    مرسی اگه میشه برنامه رابامیپل هم بنویسید
    پاسخبازگو
  • |78.159.118.xxx |2011-05-16 09:29:50 ناشناس
    دستتون درد نکنه خیلی عالی بود
    پاسخبازگو
  • |212.120.207.xxx |2011-06-06 20:41:26 g  - g
    سلام
    آقا میشه بگین
    چطوری میشه
    رادیکال با فرجه 3 را در مطلب بنویسم
    پاسخبازگو
  • |31.3.229.xxx |2012-02-26 15:29:12 سینا جنیدی  - پاسخ
    1 (x)^(1/3)
    پاسخبازگو
  • |79.127.62.xxx |2011-12-22 19:19:01 ناشناس
    سلام
    اگر مسئله دارای دو درجه آزادی بود، بدین معنی که در جرم و دو فنر به صورت متوالی به هم متصل بودند و نیروی هارمونیک بر آنها اعمال می شد، حل چگونه بود؟
    با تشکر
    پاسخبازگو
  • |Registered |2012-01-03 00:04:17 som
    سلام ممنون
    به ما برنامه مطلب حل معادله لاپلاس برای ذره در جعبه با روشimplicit گفتن میشه برنامشو کمکم کنید؟ ممنون
    پاسخبازگو
  • |78.38.150.xxx |2012-01-20 12:25:56 نفس
    سلام،من می خواستم معادله ی f’’’+(1/2)f’’f=0باشرایط f(0)=1 وf’(∞)=1 وf’(0)=0
    حل کنم نمی دونم چه کار باید کنم ،میشه منو را هنمایی کنید.
    پاسخبازگو
  • |212.50.247.xxx |2012-01-30 08:33:31 عليرضا  - حل معادلات درجه دو
    سلام و تشكر از سايت خوبتان و مطالب آموزشي آن.
    ميخواستم خواهش كنم اگر ممكن است روش حل معادلات ديفرانسيل معمولي درجه دو با مقادير اوليه را به روش آدامز مولتون با كمك متلب برايم ايميل كنيد.گامهاي ابتدائي از روش اويلر اصلاح شده
    پاسخبازگو
  • |80.191.161.xxx |2012-05-21 08:15:44 mina
    ba salam man mikhastam chand ta barname physic be zaban matlab baram benevisid mamnoon misham agar ghabool befarmaeed .zemnan hazineh har barname hododan chand mishe .
    پاسخبازگو
  • |91.99.95.xxx |2012-05-21 18:41:25 ناشناس
    کد برنامه نقطه یابی روی محیط دایره درمتلب را کسی داره؟
    پاسخبازگو
  • |Registered |2012-06-17 10:32:18 minapiralaee
    خیلی خوب بود ممنون
    پاسخبازگو
  • |31.171.216.xxx |2012-11-15 16:02:24 sia
    mersiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii :P
    پاسخبازگو
  • |217.218.239.xxx |2012-11-29 10:11:37 سلام من حل تمرین شیمی فزیک می  - ببخشد من نرم افزار گوسین رامیخواهم میشود این برنام
    sia نوشت:
    mersiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii :P
    پاسخبازگو
  • |65.49.68.xxx |2012-12-28 18:47:21 مهرداد
    باتشکر فرااااااااااااااااااااااااااااااااااااااااااااااااااااااااااااوان
    پاسخبازگو
  • |178.131.169.xxx |2013-01-09 17:12:50 h.b  - کمک
    سلام
    حرکت جرم و فنر رو در متلب میخوام
    n جرم و n فنر .. دو سر بسته ..
    !؟

    میشه به ایمیلم جواب بدی؟!
    پاسخبازگو
نوشتن نظر
Your Contact Details:
نظر:
[b] [i] [u] [url] [quote] [code] [img]   
:D:):(:0:shock::confused:8):lol::x:P:oops::cry:
:evil::twisted::roll::wink::!::?::idea::arrow:
Security
کد آنتی اسپم نمایش داده شده در عکس را وارد کنید.
آخرین بروز رسانی در پنجشنبه, 04 آذر 1389 ساعت 14:43