差分方程matlab实验报告,实验二微分方程与差分方程模型Matlab求解

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实验二: 微分方程与差分方程模型Matlab求解 一、实验目的 [1] 掌握解析、数值解法,并学会用图形观察解的形态和进行解的定性分析; [2] 熟悉MATLAB软件关于微分方程求解的各种命令; [3] 通过范例学习建立微分方程方面的数学模型以及求解全过程; [4] 熟悉离散 Logistic模型的求解与混沌的产生过程。 二、实验原理 1. 微分方程模型与MATLAB求解 解析解 用MATLAB命令dsolve(‘eqn1’,’eqn2’, .) 求常微分方程(组)的解析解。其中‘eqni 表示第i个微分方程,Dny表示y的n阶导数,默认的自变量为t。 (1) 微分方程 例1 求解一阶微分方程 (1) 求通解 输入: dsolve( Dy=1+y^2 ) 输出: ans = tan(t+C1) (2)求特解 输入: dsolve( Dy=1+y^2 , y(0)=1 , x ) 指定初值为1,自变量为x 输出: ans = tan(x+1/4*pi) 例2 求解二阶微分方程 原方程两边都除以,得 输入: dsolve( D2y+(1/x)*Dy+(1-1/4/x^2)*y=0 , y(pi/2)=2,Dy(pi/2)=-2/pi , x ) ans = - (exp(x*i)*(pi/2)^(1/2)*i)/x^(1/2) + (exp(x*i)*exp(-x*2*i)*(pi/2)^(3/2)*2*i)/(pi*x^(1/2)) 试试能不用用simplify函数化简 输入: simplify(ans) ans = 2^(1/2)*pi^(1/2)/x^(1/2)*sin(x) (2)微分方程组 例3 求解 df/dx=3f+4g; dg/dx=-4f+3g。 (1)通解: [f,g]=dsolve( Df=3*f+4*g , Dg=-4*f+3*g ) f = exp(3*t)*(C1*sin(4*t)+C2*cos(4*t)) g = exp(3*t)*(C1*cos(4*t)-C2*sin(4*t)) 特解: [f,g]=dsolve( Df=3*f+4*g , Dg=-4*f+3*g , f(0)=0,g(0)=1 ) f = exp(3*t)*sin(4*t) g = exp(3*t)*cos(4*t) 数值解 在微分方程(组)难以获得解析解的情况下,可以用Matlab方便地求出数值解。格式为: [t,y] = ode23( F ,ts,y0,options) 注意: Ø 微分方程的形式:y = F(t, y),t为自变量,y为因变量(可以是多个,如微分方程组); Ø [t, y]为输出矩阵,分别表示自变量和因变量的取值; Ø F代表一阶微分方程组的函数名(m文件,必须返回一个列向量,每个元素对应每个方程的右端); Ø ts的取法有几种,(1)ts=[t0, tf] 表示自变量的取值范围,(2)ts=[t0,t1,t2,…,tf],则输出在指定时刻t0,t1,t2,…,tf处给出,(3)ts=t0:k:tf,则输出在区间[t0,tf]的等分点给出; Ø y0为初值条件; Ø options用于设定误差限(缺省是设定相对误差是10^(-3),绝对误差是10^(-6)); ode23是微分方程组数值解的低阶方法,ode45为中阶方法,与ode23类似。 例4 求解一个经典的范得波(Van Der pol)微分方程: 解 形式转化:令。则以上方程转化一阶微分方程组: 。 编写M文件如下,必须是M文件表示微分方程组,并保存,一般地,M文件的名字与函数名相同,保存位置可以为默认的work子目录,也可以保存在自定义文件夹,这时注意要增加搜索路径(File\Set Path\Add Folder) function dot1=vdpol(t,y); dot1=[y(2); (1-y(1)^2)*y(2)-y(1)]; 在命令窗口写如下命令: [t,y]=ode23( vdpol ,[0,20],[1,0]); y1=y(:,1);y2=y(:,2); plot(t,y1,t,y2, -- );title( Van Der Pol Solution ); xlabel( Time,Second );ylabel( y(1)andy(2) ) 执行: 注:Van der Pol方程描述具有一个非线性振动项的振动子的运动过程。最初,由于它在非线性电路上的应用而引起广泛兴趣。一般形式为。 图形解 无论是解析解还是数值解,都不如图形解直观明了。即使是在得到了解析解或数值解的情况下,作出解的图形,仍然是一件深受欢迎的事。这些都可以用Matlab方便地进行。 (1)图示解析解 如果微分方程(组)的解析解为:y=f (x),则可以用Matlab函数fplot作出其图形: fplot( fun ,lims) 其中:fun给出函数表达式;lims=[xmin xmax ymin ymax]限定坐标轴的大小。例如 fplot( sin(1/x) , [0.01 0.1 -1 1]) (2)图示数值解 设想已经得到微分方程(组)的数值解(x,y)。可以用Matlab函数plot(x,y)直接作出图形。其中x和y为向量(或矩阵)。 2、Volterra模型(食饵捕食者模型) 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,他从第一次世界大战期间,地中海各港口捕获的几种鱼类捕获量百分比的资料中,发现鲨鱼的比例有明显增加(见下表)。 年代 1914 1915 1916 1917 1918 百分比 11.9 21.4 22.1 21.2 36.4 年代 1919 1920 1921 1922 1923 百分比 27.3 16.0 15.9 14.8 19.7 战争为什么使鲨鱼数量增加?是什么原因? 因为战争使捕鱼量下降,食用鱼增加,显然鲨鱼也随之增加。 但为何鲨鱼的比例大幅增加呢?生物学家Ancona无法解释这个现象,于是求助于著名的意大利数学家V.Volterra,希望建立一个食饵—捕食者系统的数学模型,定量地回答这个问题。 1、符号说明: ① x1(t), x2(t)分别是食饵、捕食者(鲨鱼)在t时刻的数量; ② r1, r2是食饵、捕食者的固有增长率; ③λ1是捕食者掠取食饵的能力, λ2是食饵对捕食者的供养能力; 2、基本假设: ① 捕食者的存在使食饵的增长率降低,假设降低的程度与捕食者数量成正比,即 ② 食饵对捕食者的数量x2起到增长的作用, 其程度与食饵数量x1成正比,即 综合以上①和②,得到如下模型: 模型一:不考虑人工捕获的情况 该模型反映了在没

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