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    python 解决微分方程的操作(数值解法)

    作者:Thole Lee 时间:2021-08-13 18:50

    Python求解微分方程(数值解法)

    对于一些微分方程来说,数值解法对于求解具有很好的帮助,因为难以求得其原方程。

    比如方程:

    微分方程

    但是我们知道了它的初始条件,这对于我们叠代求解很有帮助,也是必须的。

    初始条件

    那么现在我们也用Python去解决这一些问题,一般的数值解法有欧拉法、隐式梯形法等,我们也来看看这些算法对叠代的精度有什么区别?

    ```python
    ```python
    import numpy as np
    from scipy.integrate import odeint
    from matplotlib import pyplot as plt
    import os
    #先从odeint函数直接求解微分方程
    #创建欧拉法的类
    class Euler:
        #构造方法,当创建对象的时候,自动执行的函数
        def __init__(self,h,y0):
            #将对象与对象的属性绑在一起
            self.h = h
            self.y0 = y0
            self.y = y0
            self.n = 1/self.h
            self.x = 0
            self.list = [1]
            #欧拉法用list列表,其x用y叠加储存
            self.list2 = [1]
            self.y1 = y0
            #改进欧拉法用list2列表,其x用y1叠加储存
            self.list3 = [1]
            self.y2 = y0
            #隐式梯形法用list3列表,其x用y2叠加储存
        #欧拉法的算法,算法返回t,x
        def countall(self):
            for i in range(int(self.n)):
                y_dere = -20*self.list[i]
                #欧拉法叠加量y_dere = -20 * x
                y_dere2 = -20*self.list2[i] + 0.5*400*self.h*self.list2[i]
                #改进欧拉法叠加量 y_dere2 = -20*x(k) + 0.5*400*delta_t*x(k)
                y_dere3 = (1-10*self.h)*self.list3[i]/(1+10*self.h)
                #隐式梯形法计算 y_dere3 = (1-10*delta_t)*x(k)/(1+10*delta_t)
                self.y += self.h*y_dere
                self.y1 += self.h*y_dere2
                self.y2 =y_dere3
                self.list.append(float("%.10f" %self.y))
                self.list2.append(float("%.10f"%self.y1))
                self.list3.append(float("%.10f"%self.y2))
            return np.linspace(0,1,int(self.n+1)), self.list,self.list2,self.list3
    step = input("请输入你需要求解的步长:")
    step = float(step)
    work1 = Euler(step,1)
    ax1,ay1,ay2,ay3 = work1.countall()
    #画图工具plt
    plt.figure(1)
    plt.subplot(1,3,1)
    plt.plot(ax1,ay1,'s-.',MarkerFaceColor = 'g')
    plt.xlabel('横坐标t',fontproperties = 'simHei',fontsize =20)
    plt.ylabel('纵坐标x',fontproperties = 'simHei',fontsize =20)
    plt.title('欧拉法求解微分线性方程步长为'+str(step),fontproperties = 'simHei',fontsize =20)
    plt.subplot(1,3,2)
    plt.plot(ax1,ay2,'s-.',MarkerFaceColor = 'r')
    plt.xlabel('横坐标t',fontproperties = 'simHei',fontsize =20)
    plt.ylabel('纵坐标x',fontproperties = 'simHei',fontsize =20)
    plt.title('改进欧拉法求解微分线性方程步长为'+str(step),fontproperties = 'simHei',fontsize =20)
    plt.subplot(1,3,3)
    plt.plot(ax1,ay3,'s-.',MarkerFaceColor = 'b')
    plt.xlabel('横坐标t',fontproperties = 'simHei',fontsize =20)
    plt.ylabel('纵坐标x',fontproperties = 'simHei',fontsize =20)
    plt.title('隐式梯形法求解微分线性方程步长为'+str(step),fontproperties = 'simHei',fontsize =20)
    plt.figure(2)
    plt.plot(ax1,ay1,ax1,ay2,ax1,ay3,'s-.',MarkerSize = 3)
    plt.xlabel('横坐标t',fontproperties = 'simHei',fontsize =20)
    plt.ylabel('纵坐标x',fontproperties = 'simHei',fontsize =20)
    plt.title('三合一图像步长为'+str(step),fontproperties = 'simHei',fontsize =20)
    ax = plt.gca()
    ax.legend(('$Eular$','$fixed Eular$','$trapezoid$'),loc = 'lower right',title = 'legend')
    plt.show()
    os.system("pause")
    

    对于欧拉法,它的叠代方法是:

    欧拉法

    改进欧拉法的叠代方法:

    改进欧拉法

    隐式梯形法:

    隐式梯形法

    对于不同的步长,其求解的精度也会有很大的不同,我先放一几张结果图:

    1 2

    补充:基于python的微分方程数值解法求解电路模型

    安装环境包

    安装numpy(用于调节range) 和 matplotlib(用于绘图)

    在命令行输入

    pip install numpy 
    pip install matplotlib

    电路模型和微分方程

    模型1

    无损害,电容电压为5V,电容为0.01F,电感为0.01H的并联谐振电路

    电路模型1

    微分方程1

    u=-LC\frac{d^{2}u}{dt^{2 }}

    模型2

    带电阻损耗的电容电压为5V,电容为0.01F,电感为0.01H的的并联谐振

    电路模型2

    微分方程2

    u_{c} +RC\frac{du_{c}}{dt}+LC\frac{d^{2}u}{dt^{2}}=0

    python代码

    模型1

    import numpy as np
    import matplotlib.pyplot as plt
     
    L = 0.01  #电容的值 F
    C = 0.01  #电感的值 L
    u_0 = 5   #电容的初始电压
    u_dot_0 = 0
     
    def equition(u,u_dot):#二阶方程
        u_double_dot = -u/(L*C)
        return u_double_dot
     
    def draw_plot(time_step,time_scale):#时间步长和范围
        u = u_0
        u_dot = u_dot_0  #初始电压和电压的一阶导数
        time_list = [0] #时间lis
        Votage = [u] #电压list
        plt.figure()
        for time in np.arange(0,time_scale,time_step):#使用欧拉数值计算法 一阶近似
            u_double_dot = equition(u,u_dot) #二阶导数
            u_dot = u_dot + u_double_dot*time_step #一阶导数
            u = u + u_dot*time_step #电压
            time_list.append(time) #结果添加
            Votage.append(u) #结果添加
            print(u)
        plt.plot(time_list,Votage,"b--",linewidth=1) #画图
        plt.show()
        plt.savefig("easyplot.png")
     
    if __name__ == '__main__':
        draw_plot(0.0001,1)

    模型2

    import numpy as np
    import matplotlib.pyplot as plt
     
    L = 0.01  #电容的值 F
    C = 0.01  #电感的值 L
    R = 0.1   #电阻值
    u_0 = 5   #电容的初始电压
    u_dot_0 = 0
     
    def equition(u,u_dot):#二阶方程
        u_double_dot =(-R*C*u_dot -u)/(L*C)
        return u_double_dot
     
    def draw_plot(time_step,time_scale):#时间步长和范围
        u = u_0
        u_dot = u_dot_0  #初始电压和电压的一阶导数
        time_list = [0] #时间lis
        Votage = [u] #电压list
        plt.figure()
        for time in np.arange(0,time_scale,time_step):#使用欧拉数值计算法 一阶近似
            u_double_dot = equition(u,u_dot) #二阶导数
            u_dot = u_dot + u_double_dot*time_step #一阶导数
            u = u + u_dot*time_step #电压
            time_list.append(time) #结果添加
            Votage.append(u) #结果添加
            print(u)
        plt.plot(time_list,Votage,"b-",linewidth=1) #画图
        plt.show()
        plt.savefig("result.png")
     
    if __name__ == '__main__':
        draw_plot(0.0001,1)

    数值解结果

    模型1

    纵轴为电容两端电压,横轴为时间与公式计算一致​​

    模型2结果

    纵轴

    为电容两端电压,横轴为时间标题

    最后我们可以根据调节电阻到达不同的状态

    R=0.01,欠阻尼

    R=1.7,临界阻尼

    R=100,过阻尼

    以上为个人经验,希望能给大家一个参考,也希望大家多多支持站长博客。

    jsjbwy
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