用 Matlab 求解微分方程.ppt

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1、用 Matlab 求解微分方程,借助 Matlab 软件，可以方便地求出微分方程（组）的解析解和数值解。,微分方程（组）的解析解,求微分方程（组）解析解的命令为dsolve(eqn1,eqn2,.,x)其中“eqni”表示第 i 个方程，“x”表示微分方程（组）中的自变量，默认时自变量为 t。此外，在“eqni”表示的方程式中，用 D 表示求微分，D2、D3 等表示求高阶微分，任何 D 后所跟的字母表示因变量。,例 8.5.1 求解一阶微分方程 dy/dx=1+y2。,求通解输入：dsolve(Dy=1+y2,x)输出：ans=tan(x+C1)求特解输入：dsolve(Dy=1+y2,y(0

2、)=1,x)输出：ans=tan(x+1/4*pi),例 8.5.2 求解下列微分方程的通解及 y(0)=0 和 y(0)=15 条件下的特解,求通解输入：y=dsolve(D2y+4*Dy+29*y=0,x)输出：y=C1*exp(-2*x)*sin(5*x)+C2*exp(-2*x)*cos(5*x)求特解输入：y=dsolve(D2y+4*Dy+29*y=0,y(0)=0,Dy(0)=15,x)输出：y=3*exp(-2*x)*sin(5*x),例 8.5.3 求解下列微分方程组,求通解 方式一 输入：x,y,z=dsolve(Dx=2*x-3*y+3*z,Dy=4*x-5*y+3*z,

3、Dz=4*x-4*y+2*z,t)；输出：x=C2*exp(-t)+C3*exp(2*t)y=C2*exp(-t)+C3*exp(2*t)+exp(-2*t)*C1 z=C3*exp(2*t)+exp(-2*t)*C1,方式二输入：x,y,z=dsolve(Dx=2*x-3*y+3*z,Dy=4*x-5*y+3*z,Dz=4*x-4*y+2*z,t)；x=simple(x)%将x化简 y=simple(y)z=simple(z)输出：x=C2/exp(t)+C3*exp(t)2 y=C2*exp(-t)+C3*exp(2*t)+exp(-2*t)*C1 z=C3*exp(2*t)+exp(-2

4、*t)*C1,求特解 输入：x,y,z=dsolve(Dx=2*x-3*y+3*z,Dy=4*x-5*y+3*z,Dz=4*x-4*y+2*z,x(0)=0,y(0)=1,z(0)=2,t)；x=simple(x)%将x化简 y=simple(y)z=simple(z)输出：x=exp(2*t)-exp(-t)y=exp(2*t)-exp(-t)+exp(-2*t)z=exp(2*t)+exp(-2*t),微分方程（组）的数值解,事实上，能够求得解析解的微分方程或微分方程组少之又少，多数情况下需要求出微分方程（组）的数值解。Matlab中求微分方程数值解的函数有五个：ode45，ode23，o

5、de113，ode15s，ode23s。调用格式为t,x=solver(f,ts,x0,options),需要特别注意的是：solver 可以取以上五个函数之一，不同的函数代表不同的内部算法：ode23 运用组合的 2/3 阶龙格库塔费尔贝算法，ode45 运用组合的 4/5 阶龙格库塔费尔贝算法。通常使用函数 ode45；f 是由待解方程写成的m文件的文件名；ts=t0,tf，t0、tf为自变量的初值和终值；x0为函数的初值；,options 用于设定误差限（可以缺省，缺省时设定为相对误差 103，绝对误差 106），程序为options=odeset(reltol,rt,abstol,at

6、)其中rt和at分别为设定的相对误差和绝对误差；在解 n 个未知函数的方程组时，x0、x 均为 n 维向量，m 文件中待解方程组应以 x 的分量形式写成；使用 Matlab 软件求数值解时，高阶微分方程必须等价地变换成一阶微分方程组。,例 8.5.4 求解下列微分方程,解：令 y1=x，y2=y1，则微分方程变为一阶微分方程组：,(1)建立 m 文件 vdp1000.m 如下：function dy=vdp1000(t,y)dy=zeros(2,1);dy(1)=y(2);dy(2)=1000*(1-y(1)2)*y(2)-y(1);(2)取 t0=0，tf=3000，输入命令：T,Y=ode

7、15s(vdp1000,0 3000,2 0);plot(T,Y(:,1),-)运行程序，得到如图的结果。,例 8.5.5 求解下列微分方程组,(1)建立 m 文件 rigid.m 如下：function dy=rigid(t,y)dy=zeros(3,1);dy(1)=y(2)*y(3);dy(2)=-y(1)*y(3);dy(3)=-0.51*y(1)*y(2);(2)取 t0=0，tf=12，输入命令：T,Y=ode45(rigid,0 12,0 1 1);plot(T,Y(:,1),-,T,Y(:,2),*,T,Y(:,3),+),运行程序，得到如图的结果。图中，y1 的图形为实线，y

8、2 的图形为“*”线，y3 的图形为“+”线。,例 8.5.6 导弹追踪问题 设位于坐标原点的甲舰向位于 x 轴上点 A(1,0)处的乙舰发射导弹，导弹头始终对准乙舰。如果乙舰以最大的速度 v0（是常数）沿平行于 y 轴的直线行驶，导弹的速度是 5v0，求导弹运行的曲线方程。又乙舰行驶多远时，导弹将它击中？,解：如图所示，假设导弹在 t 时刻的位置为P(x(t),y(t)，乙舰位于 Q(1,v0t)。由于导弹头始终对准乙舰，故此时直线 PQ 就是导弹的轨迹曲线弧 OP 在点 P 处的切线，,于是有,即,又根据题意，弧 OP 的长度为|AQ|的 5 倍，于是,消去 t，得到导弹追踪模型如下：,下

9、面求解这个初值问题。,解法一 解析解 利用微分方程初值问题的解析解法，得导弹的运行轨迹为：,参见下图。,根据题意，乙舰始终沿平行于 y 轴的直线 x=1 行驶，且由上式知，当 x=1 时 y=5/24，故当乙舰航行到点(1,5/24)处时被导弹击中。同时可求得被击中时间为：t=y/v0=5/24v0；若 v0=1，则在 t=0.21 处被击中。,解法二 数值解 令 y1=y，y2=y1，将先前给出的导弹追踪模型化为一阶微分方程组,(1)建立 m 文件 eq1.m function dy=eq1(x,y)dy=zeros(2,1);dy(1)=y(2);dy(2)=1/5*sqrt(1+y(1)2)/(1-x);(2)取 x0=0，xf=0.9999，建立主程序 ff6.m 如下：x0=0,xf=0.9999 x,y=ode45(eq1,x0 xf,0 0);plot(x,y(:,1),b.)hold on y=0:0.01:2;plot(1,y,b*),运行程序，得到如图所示的结果。从而得出结论：导弹大致在(1,0.2)处击中乙舰。,