数学建模与MATLAB第7讲微分方程课件

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1、数学建模与MATLAB】第7讲微分方程数学建模与数学实验数学建模与数学实验 微微 分分 方方 程程数学建模与MATLAB】第7讲微分方程实验目的实验目的实验内容实验内容2学会用学会用MATLAB求微分方程的数值解求微分方程的数值解1学会用学会用MATLAB求简单微分方程的解析解求简单微分方程的解析解1 1求简单微分方程的解析解求简单微分方程的解析解4 4实验作业实验作业2求微分方程的数值解求微分方程的数值解3 数学建模实例数学建模实例 数学建模与MATLAB】第7讲微分方程求微分方程的数值解求微分方程的数值解（一）常微分方程数值解的定义（一）常微分方程数值解的定义（二）建立数值解法的一些途径（

2、二）建立数值解法的一些途径（三）用（三）用MATLAB软件求常微分方程的数值解软件求常微分方程的数值解返 回数学建模与MATLAB】第7讲微分方程1目标跟踪问题一：导弹追踪问题目标跟踪问题一：导弹追踪问题 2目标跟踪问题二：慢跑者与狗目标跟踪问题二：慢跑者与狗3地中海鲨鱼问题地中海鲨鱼问题返 回数学建模实例数学建模实例数学建模与MATLAB】第7讲微分方程微分方程的解析解微分方程的解析解 求微分方程（组）解析解的命令:dsolve(方程方程1,方程方程2,方程方程n,初始条件初始条件,自变量自变量)To MATLAB（ff1）结 果：u=tg(t-c)数学建模与MATLAB】第7讲微分方程 解

3、解 输入命令:y=dsolve(D2y+4*Dy+29*y=0,y(0)=0,Dy(0)=15,x)结 果 为:y=3e-2xsin（5x）To MATLAB（ff2）数学建模与MATLAB】第7讲微分方程解解 输入命令：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)结 果 为：x=(c1-c2+c3+c2e-3t-c3e-3t)e2t y=-c1e-4t+c2e-4t+c2e-3t-c3e-3t+c1-c2+c3)e2t z=(-c1e-4

4、t+c2e-4t+c1-c2+c3)e2t To MATLAB（ff3）返 回数学建模与MATLAB】第7讲微分方程微分方程的数值解微分方程的数值解（一）常微分方程数值解的定义（一）常微分方程数值解的定义 在生产和科研中所处理的微分方程往往很复杂,且大多得不出一般解而实际中的对初值问题，一般是要求得到解在若干个点上满足规定精确度的近似值，或者得到一个满足精确度要求的便于计算的表达式因此，研究常微分方程的数值解法是十分必要的因此，研究常微分方程的数值解法是十分必要的0000121212(,)()(),(),(),.nnnyf x yxy xyxxxxxy xy xy xy yy对常微分方程：，其

5、数值解是指由初始点开始的若干离散的 处的值，即对，求出准确值的相应近似值返 回数学建模与MATLAB】第7讲微分方程（二）建立数值解法的一些途径（二）建立数值解法的一些途径100 ,0,1,2,1,(,)()iixxhinyf x yy xy设则可用以下离散化方法求解微分方程1用差商代替导数用差商代替导数 若步长h较小，则有hxyhxyxy)()()(故有公式：100(,)0,1,2,-1()iiiiyyhf x yinyy x此即欧拉法欧拉法数学建模与MATLAB】第7讲微分方程2使用数值积分使用数值积分对方程y=f(x,y),两边由xi到xi+1积分，并利用梯形公式，有：11111()()

6、(,()(,()(,()2iixiixiiiiiiyxyxfty td txxfxyxfxyx 实际应用时，与欧拉公式结合使用：,2,1,0 ),(),(2),()(11)1(1)0(1kyxfyxfhyyyxhfyykiiiiikiiiii(1)()111112 0 kkkiiiiiyyyyy（）对于已给的精确度，当满足时，取，然后继续下一步 的计算此即改进的欧拉法改进的欧拉法故有公式：)(),(),(200111xyyyxfyxfhyyiiiiii数学建模与MATLAB】第7讲微分方程3使用泰勒公式使用泰勒公式 以此方法为基础，有龙格龙格-库塔法库塔法、线性多步法线性多步法等方法4数值公式

7、的精度数值公式的精度 当一个数值公式的截断误差可表示为O（hk+1）（其中k为正整数，h为步长）时，称它是一个k阶公式阶公式 k越大，则数值公式的精度越高欧拉法是一阶公式，改进的欧拉法是二阶公式龙格-库塔法有二阶公式和四阶公式线性多步法有四阶亚当斯外插公式和内插公式返 回数学建模与MATLAB】第7讲微分方程（三）用（三）用MATLAB软件求常微分方程的数值解软件求常微分方程的数值解t，x=solver(f,ts,x0,options)ode45 ode23 ode113ode15sode23s由待解方程写成的M文件名ts=t0,tf，t0、tf为自变量的初值和终值函数的初值ode23：组合的

8、2/3阶龙格库塔费尔贝格算法ode45：运用组合的4/5阶龙格库塔费尔贝格算法自变量值函数值用于设定误差限(缺省时设定相对误差10-3,绝对误差10-6),命令为：options=odeset（reltol,rt,abstol,at）,rt，at：分别为设定的相对误差和绝对误差数学建模与MATLAB】第7讲微分方程 1在解含n个未知数的方程组时，x0和x均为n维向量，M文件中的待解方程组应以x的分量形式写出 2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注意注意:数学建模与MATLAB】第7讲微分方程解解:令 y1=x，y2=y1则微分方程变为一阶微分方程组：0)

9、0(,2)0()1(1000211221221yyyyyyyy1建立M文件vdp1000m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=ode15s(vdp1000,0 3000,2 0);plot(T,Y(:,1),-)3结果如图050010001500200025003000-2.5-2-1.5-1-0.500.511.52To MATLAB（ff4）数学建模与MATLAB】第7讲微分方程 例例 5 解微分方程组.1)0(,

10、1)0(,0)0(51.0321213312321yyyyyyyyyyyy解解 1建立M文件rigidm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)=-051*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),+)3结果如图To MATLAB（ff5）024681012-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81图中，y1的图形为实线

11、，y2的图形为“*”线，y3的图形为“+”线返 回数学建模与MATLAB】第7讲微分方程导弹追踪问题导弹追踪问题 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(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乙舰行驶多远时，导弹将它击中？解法一解法一（解析法）数学建模与MATLAB】第7讲微分方程由(1),(2)消去t,整理得模型:(3)151)1(2yyx初值条件为:0)0(y 0)0(yTo MATLAB(chase1)轨迹图见程序chase1数学建模与MATLAB】第7讲微分方程解法二解法二(数值解法)1

12、建立M文件eq1m 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=09999，建立主程序ff6m如下：x0=0，xf=09999 x,y=ode15s(eq1,x0 xf,0 0);plot(x,y(:,1),b)hold on y=0:001:2;plot(1,y,b*)结论结论:导弹大致在（导弹大致在（1，02）处击中乙舰）处击中乙舰.To MATLAB(ff6)2151)1(yyx)1/(15121221xyyyy令y1=y,y2=y1，将方程（3）化为一阶微分方

13、程组数学建模与MATLAB】第7讲微分方程解法三解法三(建立参数方程求数值解)设时刻t乙舰的坐标为(X(t)，Y(t)，导弹的坐标为(x(t)，y(t)3因乙舰以速度v0沿直线x=1运动，设v0=1，则w=5，X=1，Y=t.数学建模与MATLAB】第7讲微分方程4 解导弹运动轨迹的参数方程建立M文件eq2m如下：function dy=eq2(t,y)dy=zeros(2,1);dy(1)=5*(1-y(1)/sqrt(1-y(1)2+(t-y(2)2);dy(2)=5*(t-y(2)/sqrt(1-y(1)2+(t-y(2)2);取t0=0，tf=2，建立主程序chase2m如下：t,y=

14、ode45(eq2,0 2,0 0);Y=0:001:2;plot(1,Y,-)，hold on plot(y(:,1),y(:,2),*)To MATLAB(chase2)数学建模与MATLAB】第7讲微分方程5 结果见图1导弹大致在（1，02）处击中乙舰，与前面的结论一致图1图2返 回 在chase2m中，按二分法逐步修改tf，即分别取tf=1，05,025,直到tf=021时，得图2结论：时刻结论：时刻t=021时，导弹在（时，导弹在（1，021）处击中乙舰）处击中乙舰To MATLAB(chase2)数学建模与MATLAB】第7讲微分方程慢跑者与狗慢跑者与狗 一个慢跑者在平面上沿椭圆以

15、恒定的速率v=1跑步,设椭圆方程为:x=10+20cos t,y=20+5sin t 突然有一只狗攻击他 这只狗从原点出发,以恒定速率w跑向慢跑者,狗的运动方向始终指向慢跑者分别求出w=20,w=5时狗的运动轨迹1 模型建立设t 时刻慢跑者的坐标为(X(t)，Y(t)，狗的坐标为(x(t)，y(t)则 X=10+20cos t,Y=20+15sin t.狗从(0,0)出发,与导弹追踪问题类似，狗的运动轨迹的参数方程为:2222d(1020cos)d(1020cos)(20 15sin)d(20 15sin)d(1020cos)(20 15sin)(0)0,(0)0 xwtxttxtyywtyt

16、txtyxy数学建模与MATLAB】第7讲微分方程2 模型求解(1)w=20时时,建立文件eq3m如下:function dy=eq3(t,y)dy=zeros(2,1);dy(1)=20*(10+20*cos(t)-y(1)/sqrt (10+20*cos(t)-y(1)2+(20+15*sin(t)-y(2)2);dy(2)=20*(20+15*sin(t)-y(2)/sqrt (10+20*cos(t)-y(1)2+(20+15*sin(t)-y(2)2);取t0=0，tf=10，建立主程序chase3m如下：t0=0;tf=10;t,y=ode45(eq3,t0 tf,0 0);T=0

17、:01:2*pi;X=10+20*cos(T);Y=20+15*sin(T);plot(X,Y,-)hold on plot(y(:,1),y(:,2),*)在chase3m中，不断修改tf的值,分别取tf=5,25,35,至315时,狗刚好追上慢跑者To MATLAB(chase3)数学建模与MATLAB】第7讲微分方程建立M文件eq4m如下:function dy=eq4(t,y)dy=zeros(2,1);dy(1)=5*(10+20*cos(t)-y(1)/sqrt (10+20*cos(t)-y(1)2+(20+15*sin(t)-y(2)2);dy(2)=5*(20+15*sin(

18、t)-y(2)/sqrt (10+20*cos(t)-y(1)2+(20+15*sin(t)-y(2)2);取t0=0，tf=10，建立主程序chase4m如下：t0=0;tf=10;t,y=ode45(eq4,t0 tf,0 0);T=0:01:2*pi;X=10+20*cos(T);Y=20+15*sin(T);plot(X,Y,-)hold on plot(y(:,1),y(:,2),*)在chase3m中，不断修改tf的值,分别取tf=20,40,80,可以看出,狗永远追不上慢跑者To MATLAB(chase4)(2)w=5时时返 回数学建模与MATLAB】第7讲微分方程地中海鲨鱼问

19、题地中海鲨鱼问题 意大利生物学家Ancona曾致力于鱼类种群相互制约关系的研究，从第一次世界大战期间,地中海各港口几种鱼类捕获量百分比的资料中，他发现鲨鱼等的比例有明显增加（见下表），而供其捕食的食用鱼的百分比却明显下降显然战争使捕鱼量下降，从而食用鱼增加，鲨鱼等也随之增加，但为何鲨鱼的比例大幅增加呢？他无法解释这个现象，于是求助于著名的意大利数学家VVolterra，希望建立一个食饵捕食系统的数学模型，定量地回答这个问题年代19141915191619171918百分比11.921.422.121.236.4年代19191920192119221923百分比27.316.015.914.81

20、9.7数学建模与MATLAB】第7讲微分方程 该 模型反映了在没有人工捕获的自然环境中食饵与捕食者之间的制约关系，没有考虑食饵和捕食者自身的阻滞作用，是Volterra提出的最简单的模型数学建模与MATLAB】第7讲微分方程首先，建立M文件shierm如下：function dx=shier(t,x)dx=zeros(2,1);dx(1)=x(1)*(1-01*x(2);dx(2)=x(2)*(-05+002*x(1);其次，建立主程序sharkm如下：t,x=ode45(shier,0 15,25 2);plot(t,x(:,1),-,t,x(:,2),*)plot(x(:,1),x(:,2

21、)To MATLAB(shark)数学建模与MATLAB】第7讲微分方程相图),(21xx为：0510150102030405060708090100020406080100051015202530求解结果：左图反映了x1（t）与x2（t）的关系 可以猜测：x1（t）与x2（t）都是周期函数数学建模与MATLAB】第7讲微分方程模型（二）考虑人工捕获 设表示捕获能力的系数为e，相当于食饵的自然增长率由r1 降为r1-e，捕食者的死亡率由r2 增为 r2+e1111222221d()dd()dxxrextxxrext20,250,02.0,5.0,1.0,1212211）（）（仍取xxrr设战前

22、捕获能力系数e=03,战争中降为e=01,则战前与战争中的模型分别为:11222112d(0.70.1)dd(0.80.02)d(0)25,(0)2xxxtxxxtxx11222112d(0.90.1)dd(0.60.02)d(0)25,(0)2xxxtxxxtxx数学建模与MATLAB】第7讲微分方程模型求解:1分别用M文件shier1m和shier2m 定义上述两个方程.2建立主程序shark1m求解两方程，并画出两种情况下鲨鱼数在鱼类总数中所占比例 x2(t)/x1(t)+x2(t)的图形.To MATLAB(shark1)05101500.10.20.30.40.50.60.70.8 实线为战前的鲨鱼比例，“*”线为战争中的鲨鱼比例结论：战争中鲨鱼的比例比战前高！结论：战争中鲨鱼的比例比战前高！返 回数学建模与MATLAB】第7讲微分方程实实 验验 作作 业业 1 一个小孩借助长度为a的硬棒拉(或推)某玩具此小孩沿某曲线行走，计算并画出玩具的轨迹 2 讨论资金积累、国民收入与人口增长的关系（1）若国民平均收入x与人口平均资金积累y成正比，说明仅当总资金积累的相对增长率k大于人口的相对增长率r时，国民平均收入才是增长的（2）作出k(x)和r(x)的示意图，分析人口激增会导致什么后果返 回