misol. Quyidagi tenglama bilan berilgan to‘rtinchi tartibli chiziqli chegaraviy masalani yechish uchun o‘q otish (otishmalar) usuli algoritmini tuzing:
( x 1) uIV
(4 x)u ' '3u 6x 3 ,
x [0,1] .
Chap chegara x = 0 dagi chegaraviy shart quyidagicha berilgan:
2u(0) u ' ' ' (0) 2 ,
u(0) 2 u ' ' ' (0) 1 ;
O‘ng chegara x = 1 dagi chegaraviy shart quyidagicha berilgan:
u(1) u ' ' (1) 3 ,
u ' (1) u ' ' (1) 2 .
Yechish. Quyidagi yangi o‘zgaruvchilar kiritamiz:
u1 (x) u(x) ,
u2(x) u(x) ,
u3 (x) u (x) ,
u4 (x) u(x) .
Bulardan foydalanib, berilgan chegaraviy masala quyidagi to‘rtinchi tartibli differensial tenglamalar sistemasi bilan berilgan chegaraviy masalaga olib kelinadi:
u1(x) u2(x) ,
u2 (x) u3 (x) ,
u3 (x) u4 (x) ,
u4 (x) 3 /(x 1) (4 x) /(x 1)u3 3(2x 1) /(x 1) .
Shuni ta’kidlaymizki, bu sistemaning yechimini topish uchun uning o‘ng tarafini hisoblashni ta’minlovchi prosedurani yaratishimiz lozim.
Bu sistemani vektor ko‘rinishida quyidagicha yozish mumkin:
Bu yerda
u ' ( x) A( x) u ( x)
f (x) . (34)
0
u2
0 0 1 0
u ( x) u ,
A( x) 0 0
0 1 ,
f ( x) 0 .
3
3
4 x
6x 3
u
4
x 1 0
x 1 0
x 1
Yangi o‘zgaruvchila uchun chegaraviy shartlar quyidagicha yoziladi:
2u1 (0) u4 0 2,
u1 (0) 2 u4 0 1,
u1 (1) u3 1 3,
u2 (1) u4 1 2.
Chap chegaraviy shartlardan quyidagilarga ega bo‘lamiz:
(35)
(36)
u1 (0) 0,6, u4 0 0,8.
Endi o‘q otish usulining algoritmini tuzsak bo‘ladi.
Dastlab quyidagi birjinsli bo‘lmagan Koshi masalasi yechiladi:
u ' ( x) A( x) u ( x) f ( x) ,
u (0) (0.6, 0.0, 0.0, 0.8) .
Bu masalaning yechimini
u 0 ( x)
deb belgilaylik.
Endi quyidagi birjinsli differensial tenglamalar sistemasi uchun ikkita Koshi masalasi yechiladi:
u ' ( x) A( x) u ( x) .
u 1 ( x)
- vektor-funksiya yoki yechim quyidagi boshlng‘ich shartlarni
qanoatlantiradi:
u (0) (0.0, 1.0, 0.0, 0.0) .
u 1 ( x)
- vektor-funksiya yoki yechim esa quyidagi boshlng‘ich shartlarni
qanoatlantiradi:
u (0) (0.0, 0.0, 1.0, 0.0) .
Quyidagi vektor-funksiyani quramiz:
u (x) u 0(x) p u1 (x) p u 2 (x) .
2 3
differensial tenglamalar sistemasini qanoatlantiradi. x=0 nuqtada quyidagiga ega bo‘lamiz:
u (0) (0.6,
p2 ,
p3 , 0.8) ,
ya’ni
u ( x)
yechim (35) chegaraviy shartlarni qanoatlantiradi.
4. p2 , p3
parametrlarni shunday tanlaymizki,
u ( x)
yechim (36)
chegaraviy shartlarni qanoatlantirsin, ya’ni
1
u (1) u
(1) 3
u 0 (1) p u 1 (1) p u 2 (1) u 0 (1) p u 1 (1) p u 2 (1) 3 ,
3
1
2
1
3
1
3
2
3
3
3
u (1) u (1) 2 u 0 (1) p u 1 (1) p u 2 (1) u 0 (1) p u 1 (1) p u 2 (1) 2 .
Bu shuni bildiradiki,
p2 , p3
paramatrlar quyidagi chiziqli algebraik
tenglamalar sistemasining yechimi bo‘lishi zarur.
2
1
3
3
1
3
1
3
p u 1 (1) u 1 (1) p u 2 (1) u 2 (1) 3 u 0 (1) u 0 (1) ,
2
2
4
3
2
4
2
4
p u 1 (1) u 1 (1) p u 2 (1) u 2 (1) 2 u 0 (1) u 0 (1) .
Shuni ta’kidlaymizki, koeffitsiyentlarning qiymatlarini va chiziqli algebraik tenglamalar sistemasining o‘ng tomonini hisoblash uchun Koshining uchta masalasini yechish talab qilinadi, bunda bu masalalar yechimlarining faqat x=1 chegaradagi qiymatinigina topish talab etiladi
5. p2 , p3
parametrlar hisoblab bo‘lingandan so‘ng quyidagi Koshi
masalasining
u ( x, p2 , p3 )
yechimi topiladi:
u ' ( x) A( x) u ( x)
f ( x) ,
u (0) (0.6,
p2 ,
p3 , 0.8) .
u ( x, p2 , p3 )
- vektor-funksiyaning birinchi komponentasi dastlabki
chegaraviy masalaning yechimi.
misol. Quyidagi tenglama bilan berilgan to‘rtinchi tartibli chiziqli chegaraviy masalani yechish uchun o‘q otish (otishmalar) usuli algoritmini tuzing:
( x 1) uIV (4 x) u ' '3 u 6 x 3 , x [0,1] .
Chap chegara x = 0 dagi chegaraviy shart quyidagicha berilgan:
2u(0) 3u ' (0) u ' ' ' (0) 2
,
- u(0) 2u'(0) 3u''(0) 3u ' ' ' (0) 1 ;
O‘ng chegara x = 1 dagi chegaraviy shart quyidagicha berilgan:
u(1) u ' ' (1) 3 ,
u ' (1) u ' ' ' (1) 2 .
Yechish. Bu chegaraviy masalaning oldingisidan farqi shundaki, bunda x = 0 chegaradagi shart umumiyroq qilib berilgan. Xuddi 1- misoldagi kabi yangi o‘zgaruvchilar kiritamiz. Natijada oddiy differensial tenglamalar sistemasi (34) uchun (36) chegaraviy shartlar va quyidagi chegaraviy shartlarga ega bo‘lamiz:
2u1 (0) 3u2 0 u4 0 2,
u1 (0) 2 u2 0 3 u3 0 3 u4 0 1 . (37)
Bu chegaraviy masalaning yechimini quyidagi vektor-funksiya ko‘rinishida izlaymiz:
u ( x) u (x) p u (x)
4
,
0 i
i
i1
bu yerda pi – hozircha noma’lum parametrlar.
Bu yerdagi yechimi:
u 0 ( x)
quyidagi birjinsli bo‘lmagan Koshi masalasining
u ' (x) A(x)u (x) f (x) ,
u i ( x)
u (0) (0.0, 0.0, 0.0, 0.0) .
u ' ( x) A( x) u ( x) .
birjinsli oddiy differensial tenglamalar sistemasi uchun Koshi masalasi- ning yechim bo‘lib, quyidagi boshlng‘ich shartlarni qanoatlantiradi:
u 1 (0) (1.0, 0.0, 0.0, 0.0) ,
u 2 (0) (0.0, 1.0, 0.0, 0.0) ,
u 3 (0) (0.0, 0.0, 1.0, 0.0) ,
u 4 (0) (0.0, 0.0, 0.0, 1.0) ,
Masalaning chiziqli ekanligidan
u ( x)
yechim yuqoridagi differensial
tenglamalar sistemasini qanoatlantiradi. pi ( i=1,2,3,4) parametrlarning qiymatini shunday tanlaymizki, (36) va (37) chegaraviy shartlar bajarilsin, u holda pi ( i=1,2,3,4) parametrlar quyidagi chiziqli algebraik tenglamalar sistemasining yechimi bo‘ladi:
2 p1 3p2 p4 2 ,
p1 2 p2 3 p3 3 p4 1 ,
4 i i 0 0
pi
i1
u1 (1) u3 (1)
3 u1
(1) u3 (1) ,
4 i i 0 0
pi
i1
u2 (1) u4 (1)
2 u2 (1) u4 (1) .
Bu yerda mos Koshi masalasini yechishdagi uchinchi va to‘rtinchi tenglamalar sistemasidan koeffisiyentlarning qiymatlari ularni sonli yechishdan topiladi.
pi ( i=1,2,3,4) parametrlar hisoblab bo‘lingandan so‘ng (34), (36), (37) chegaraviy masalaning yechimi ushbu
u ' ( x) A( x) u ( x) f ( x) ,
u (0) ( p1,p2 ,p3 ,p4 ) .
Koshi masalasining yechimi deb topiladi. Shuni ta’kidlaymizki, algortmlarni yozishda vektor shakldan foydalanildi. Chiziqli tenglamalar sistemasini ShEHMda yechishda A(x) matritsani hisoblash o‘rniga bu sistemaning o‘ng tarafini hisoblash prosedurasini yozish kerak.
misol. Quyidagi tenglama bilan berilgan uchinchi tartibli nochiziqli chegaraviy masalani yechish uchun o‘q otish (otishmalar) usuli algoritmini tuzing:
u'''u''u'u2ex sin 2x(sin 2x 15)ex , x [0,1] .
Chap chegara x = 0 dagi chegaraviy shart quyidagicha berilgan:
u(0) 2u ' (0) 4 ,
2u'(0) u''(0) 0 ;
O‘ng chegara x = 1 dagi chegaraviy shart quyidagicha berilgan:
u' (1) u (1) 2.262.
Yechish. Bu chegaraviy masalani yechish uchun quyidagi yangi o‘zgaruvchilarni kiritamizu1(x) u(x) ,
u2 (x) u(x) ,
u3 (x) u (x) ,
u4(x) u(x) .Natijada berilgan chegaraviy masalaning o‘rniga quyidagi uchinchi tartibli normal nochiziqli differensial tenglamalar sistemasi bilan berilgan chegaraviy masalaga kelamiz:
u1' u2 ;
u2 ' u3 ;
u ' u2ex u u sin 2x(sin2x 15)ex .
3 1 2 3
Bu sistemani vektor shaklida yozaylik:
u ' F (x,u ) ,
bu yerda
u1 u2
u u
2 ,
F (x) u3 .
u
u2ex u
u sin 2x(sin 2x 15)ex
3 1 2 3
Yangi o‘zgaruvchilarga nisbatan chegaraviy shartlar quyidagicha yoziladi:
Bu yerda bo‘lamiz:
u2 (0) p2
u1(0) 2 u2 (0) 4 ;
2u2 (0) u3 (0) 0 ; (38)
u2(1) u 1(1) 2.262. (39)
deb faraz qilib, x = 0 shartdan quyidagiga ega
u1(0) 4 2 p2 ;
u3 (0) 2 p2 .
u ' F (x, u ) , (38)
u1(0) 4 2 p2 ;
u2 (0) p2 ;
u3 (0) 2 p2 .
Hosil qilingan
u ( x, p2 )
yechim p2 parametrdan nochiziqli bog‘langan,
shuning uchun uni chiziqli masaladagidek izlab bo‘lmaydi.
u (x, p2 )
vektor-funksiyani chegaraviy masalaning izlanayotgan yechimi bo‘lishi uchun u quyidagi chegaraviy shartni qanoatlantirishi lozim:
u2 (1) u 1(1) 2.262 .
Shunday qilib, p2 parametrni qiymatini quyidagi nochiziqli tenglamadan topamiz:
f1( p2 ) u2 (1, p2 ) u 1(1, p2 ) 2.262 0 .
Bu tenglamaning yechimini sonli usullardan biri yordamida izlaymiz.
f1( p2) ning berilgan p2 dagi qiymatini hisoblash uchun (38) Koshi
masalasining x = 1 dagi yechimi komponentasidan foydalaniladi. p2 ning taqribiy qiymati topilgach (38) masala yana yechiladi va uning birinchi
komponentasining yechimi bo‘ladi.
u ( x, p2 )
yechimi berilgan chegaraviy masalaning
misol. Quyidagi to‘rtinchi tartibli nochiziqli chegaraviy masalani yechish uchun o‘q otish (otishmalar) usuli algoritmini tuzing:
uIV 2 xu''0.25 x2u''0.125 ex/ 2uu' ex/ 2(2.625 x2 0.75 x 3.125) , x [0,1] .
u(0) 2 u ' (0) 0 ,
2u(0) u'(0) 2.5 ,
u(1) 2 u ' ' (1) 18.136 ,
2 u(1) u ' ' (1) 0.824 .
Yechish. Bu chegaraviy masalani yechish uchun quyidagi yangi o‘zgaruvchilarni kiritamiz:
u1(x) u(x) ,
u2(x) u(x) ,
u3 (x) u (x) ,
u4(x) u(x) .
Natijada berilgan nochiziqli chegaraviy masalaning o‘rniga quyidagi normal nochiziqli differensial tenglamalar sistemasi bilan berilgan chegaraviy masalaga kelamiz:
u1' u2 ; u2 ' u3 ; u3 ' u4 ;
u ' 0.125ex/ 2u u 0.25x2u 2xu
ex/ 2(2.625x2 0.75x 3.125) . (39)
4 1 2 3 4
Chegaraviy shartlar yangi belgilashlarga nisbatan quyidagicha yoziladi:
u1(0) 2u 2(0) 0 ,
2u1(0) u2(0) 2.5 ,
u1(1) 2u3(1) 18.136 ,
2u1(1) u 3(1) 0.824 .
x = 0 chegaradagi shartlardan quydagiga ega bo‘lamiz:
u1(0) 1 ,
u2(0) 0.5 .
Endi (39) sistemaning quyidagi boshlang‘ich shartlarni
qanoatlantiruvchi
u ( x, p3 , p4 )
yechimini izlaymiz:
u1(0) 1 ,
u2(0) 0.5 ,
u3 (0) p3 ,
u4(0) p4 . (40)
Hosil bo‘lgan yechim chegaraviy masalaning izlanayotgan yechimi bo‘ladi, agar u x=1 da p3, p4 larga nisbatan quyidagi nochiziqli tenglamalar sistemasiga keluvchi chegaraviy shartlarni qanoatlantirsa:
f1( p3 , p4 ) u1(1, p3 , p4 ) 2u 3(1, p3 , p4 ) 18.136 0 ,
f2 ( p3 , p4 ) 2u1(1, p3 , p4 ) u 3(1, p3 , p4 ) 0.824 0 .
p
p
Bu algebraik tenglamalar sistemasining yechimini Nyuton usuli bilan
3
4
bo‘lsin. Keyingi yaqinlashishlarni quyidagi tartibda hisoblaymiz:
pn 1
pn n ,
3 3 3
pn1
pn n ,
4 4 4
3
4
bu yerda yechimi:
n va
n - quyidagi chiziqli algebraik tenglamalar sistemasining
f1
( pn, pn ) n
3 4
3
f1
( pn, pn ) n f ( pn, pn ) ,
3 4
p3p4
f2
( pn, pn ) n f
( pn, pn ) .p33 p 3 4 4
4
p
p
2 3 4Yakob matritsasining birinchi ustunini hisoblah algoritmini tuzaylik.
Bunda n=0 da
p3
n va
p4
n deb boshlab, (39)-(40) Koshi masalasini
3
4
yechamiz va olingan yechim yordamida quyidagilarni hisoblaymiz:
f f ( pn, pn) u (1, pn, pn) 2u (1, pn, pn) 18.136 0 ,
f f ( pn, pn) 2 u (1, pn, pn) u
(1, pn, pn) 0.824 0.
Endi
p pn h
va p
pn
deb olib, (39)-(40) masalani yana bir bor
3 3 3 4 4
yechamiz va quyidagilarni hisoblaymiz:
~ n n n n n n
f1 f1( p3 h3 , p4 ) u1(1, p3 h3 , p4 ) 2 u 3(1, p3 h3 , p4 ) 18.136 0 ,
~ n n
n n n n
f2
f2 ( p3
h3 , p4 ) 2u1(1, p3
h3 , p4 ) u 3(1, p3
h3 , p4 ) 0.824 0 .
Endi quyidagilarni yozamiz:
1 ( pn, pn) f1 f1 , 2 ( pn, pn ) f2
3 4
3 4
f2 .
p
p3 h3 p3 h3
p
3
Agar - hisob aniqligi va
0 1
bo‘lsa, u holda
h3
deb olamiz,
aksincha, agar
0 1
bo‘lsa, u holda
h3
p0
deb olamiz. Yakob
3
3
matritsasining ikkinchi ustunini hisoblash ham xuddi shu kabi bajariladi.
Shulardan keyin p3 va p4 taqribiy qiymatlar topilgach, (39)-(40)
komponentasi dastlabki chegaraviy masalaning yechimi bo‘ladi.
misol. Quyidagi tenglamasi chiziqli, ammo chegaraviy shartlari nochiziqli bo‘lgan to‘rtinchi tartibli nochiziqli chegaraviy masalani yechish uchun o‘q otish (otishmalar) usuli algoritmini tuzing:
uIV 4 x2u''28 xu'32 u 4 ex2 (4 x2 5) , x [0,1] .
2u(0) u ' (0) u'''(0) 2 ,
u(0) 2u'(0) u''(0) 3u'''(0) 1,
u2(1) u ''(1) 3 ,
u'(1) u '''(1)3 2 .
Yechish. Bu chegaraviy masalani yechish uchun quyidagi yangi o‘zgaruvchilarni kiritamiz:
u1(x) u(x) ,
u2 (x) u(x) ,u3 (x) u (x) ,u4(x) u(x) .Natijada berilgan nochiziqli chegaraviy masalaning o‘rniga quyidagi normal nochiziqli to‘rtinchi tartibli differensial tenglamalar sistemasi bilan berilgan chegaraviy masalaga kelamiz:u ' u ; u ' u ; u ' u ; u ' 32u 28xu 4x2u 4ex2 (4x2 5) , (41)1 2 2 3 3 4 4 1 2 3
1
uning chegarayiy shartlari quyidagicha:2u1(0) u2(0) u4(0) 2 ,u1(0) 2u2 (0) u3 (0) 3u4 (0) 1, (42)u2 (1) u
4
2
3(1) 3,u (1) u3(1) 2 . (43)Bu yerda chiziqli tenglamaning chegaraviy shartlari nochiziqli bo‘lganligi uchun unga o‘q otish (otishmalar) usulini algoritmini qo‘llab bo‘lmaydi. Shuning uchun x = 0 chegaradagi ikkita shartshartdan u vektorning ikkita komponentasini uning qolganlari orqali ifodalab olamiz.
Bu yerda
u1 p1 va
u3 p3
deb olish qulay, u holda u2 va u4 larni hisoblash
uchun quyidagi ikkita chiziqli tenglamalar sistemasini hosil qilamiz:
u (0)
p1 7 ,
2u1
u2
2,
2 p1
u2
2, 2
2(3 p1 p3 )
u 2 u u 3 u
1,
2u p 3u p 1,
p p2 2 p
1 2 3 4
2 3 4 1
u (0) 1 1 3 .
Ushbu
u ( x, p1, p3 )
quyidagi Koshi masalasining yechimi:
u ' A(x)u
f (x) , (44)
p 7 p p2 2 p
u (0) p1, 1 ,
p3 , 1 1 3 .
2(3 p1 p3 ) 3 p1 p3
Bu masalaning yechimi x = 0 dagi chegaraviy shartlarni qanoatlantirishi lozim. Endi x = 1 dagi shartlarning bajarilishi uchun p1 va p3 parametrlar quyidagi nochiziqli tenglamalar sistemasining yechimi bo‘lishi lozim:
f ( p , p ) u2(1, p , p ) u (1, p , p ) 3 0 ,
f ( p , p ) u (1, p , p ) u 3(1, p , p ) 2 0 .2 1 3
2 1 3
4 1 3
Bu tenglamalar sistemasining yechimini, xuddi 4-misolda keltirilgan algoritm kabi, Nyuton usuli bilan topamiz.
Bu misolda ham p1 va p3 taqribiy qiymatlar topilgach, (44) masalayechiladi va uning yechimining
u (x, p1, p3 )
- birinchi komponentasidastlabki chegaraviy masalaning yechimi bo‘ladi.
misol. Quyidagi funksionalni hisoblash algoritmini tuzing:
1
I (u x2u' xu'')dx ,
0
bu yerda u(x) – quyidagi chegaraviy masalaning yechimi:
uIV xu'''4x3u'12u 2xex2 (26x2 36x 21) , x[0;1],u''(0) 4 ,
u'''(0) 6 ,
u(1) 3e ,
u' (1) 7e .Yechish. Otishmalar usuli yordamida shunday p1 va p2 qiymatlar hisoblanadiki, quyidagi Koshi masalasining yechimi berilgan chegaraviy masalaning yechimi bo‘lsin:
uIV xu'''4x3u'12u 2xex2 (26x2 36x 21) ,
u(0) p1 ,
u'(0) p2 ,
u''(0) 4 ,
u'''(0) 6 .
Izlanayotgan p1 va p2 qiymatlar topilgandan keyin funksionalning qiymati quyidagi Koshi masalasining yechimi yordamida hisoblanadi:
uIV xu'''4x3u'12u 2xex2 (26x2 36x 21) , x[0;1],
' u x2u'xu'',
u(0) p1 , Haqiqatan ham,
u'(0) p2 ,
I (1) .
u''(0) 4 ,
u' ' ' (0) 6 ,
(0) 0 .
Do'stlaringiz bilan baham: |