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Métodos Numéricos para Equações Diferenciais Ordinárias: Euler, Heun e Runge-Kutta, Esquemas de Direito

Uma introdução aos métodos numéricos para resolução de equações diferenciais ordinárias, com foco nos métodos de euler, heun e runge-kutta. Os princípios básicos de cada método, ilustra sua aplicação com exemplos práticos e compara a precisão dos resultados obtidos. O conteúdo é apresentado de forma clara e organizada, tornando-o um recurso valioso para estudantes de engenharia e áreas afins.

Tipologia: Esquemas

2023

Compartilhado em 20/11/2024

isaac-juturri
isaac-juturri 🇧🇷

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8 ECUACIONES DIFERENCIALES ORDINARIAS
8.1 PRESENTACIÓN DEL PROBLEMA:
Muchos problemas de ingeniería se resuelven al solucionar una ecuación
diferencial, podemos citar, la deformación de una viga, la interacción ente suelo y pilotes,
o simplemente lo que ya han visto: la segunda ley de Newton:
Como ven se puede expresar como una ecuación diferencial.
Resolver estas ecuaciones consiste en integrar adecuadamente cada caso.
Estudiaremos cuatro métodos de los varios que existen.
8.2. MÉTODO DE EULER:
Estos métodos intentan resolver las ecuaciones diferenciales ordinarias de
la forma:
Una forma de obtener una solución, es expandiendo un polinomio de
Taylor, en torno al punto Xi:
Si tomamos el elemento de primer orden, truncando la serie, quedaría:
Tomando:
y
pf3
pf4
pf5
pf8
pf9
pfa
pfd
pfe
pff
pf12

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8 ECUACIONES DIFERENCIALES ORDINARIAS

8.1 PRESENTACIÓN DEL PROBLEMA:

Muchos problemas de ingeniería se resuelven al solucionar una ecuación

diferencial, podemos citar, la deformación de una viga, la interacción ente suelo y pilotes,

o simplemente lo que ya han visto: la segunda ley de Newton:

Como ven se puede expresar como una ecuación diferencial.

Resolver estas ecuaciones consiste en integrar adecuadamente cada caso.

Estudiaremos cuatro métodos de los varios que existen.

8.2. MÉTODO DE EULER:

Estos métodos intentan resolver las ecuaciones diferenciales ordinarias de

la forma:

Una forma de obtener una solución, es expandiendo un polinomio de

Taylor, en torno al punto Xi:

Si tomamos el elemento de primer orden, truncando la serie, quedaría:

Tomando:

y

Y reemplazando queda:

Donde es la pendiente de la derivada de la función en el punto Xi.

El error está dado por el término de la derivada segunda:

Y

X

h Error

Observen que el resultado es un conjunto de pares ordenados que deberían

pertenecer a la gráfica de la función solución, obviamente con un error. Este error, vimos

que es función de h^2 , por lo tanto, si queremos aproximar mejor con este método,

8.3 METODO DE HEUN

Si analizan gráficamente la solución de Euler, es la derivada en el punto

inicial del intervalo [xi;xi+1]:

Es factible, calcular la derivada al final de dicho intervalo y promediarla con

la anterior, logrando una mejor aproximación a la solución real.

La pendiente al inicio del intervalo está dada por:

Que la usamos para extrapolar linealmente a través del método de Euler:

Y

X

h Error

Reemplazando:

Que se llama “ecuación correctora”.

El método de Heun es un método “predictor – corrector” de un paso.

Posterior mente estudiaremos los métodos “predictores – correctores” de pasos

múltiples.

Gráficamente esta pendiente promedio sería:

En resumen, tendríamos:

Y

X

h Error

Predictor:

Corrector:

Realicemos como ejemplo el primer ejercicio de la guía de trabajos

prácticos.

h=0,1 [0;4]

Donde a 1 , a 2 , …, an son constantes a determinar y los Ki son:

Las relaciones K son recurrentes, es decir que:

Esto hace que estos métodos sean de fácil programación. Solo debe

determinarse el “orden” “n” y en función de dicho orden se determinan los coeficientes p

y q. Esta determinación es bastante engorrosa y escapa a los fines de este curso. Una

demostración de dicha deducción puede encontrarse en los libros de la bibliografía.

8.4.1 METODO DE RUNGE KUTTA DE SEGUNDO ORDEN:

Si tomamos n=2, nos quedaría:

Donde:

Los valores de a 1 , a 2 , p 1 y q 11 ; se determinan formando un sistema de

ecuaciones. El problema es que se pueden plantear tres ecuaciones mediante Taylor, lo

que es irresoluble, salvo que fijemos el valor de a 2. Como puedo dar infinitos valores a a 2 ,

es que tendremos infinitos métodos de Runge Kutta de segundo orden. El más usado es el

siguiente:

Con:

En este caso K 1 es la pendiente en el inicio del intervalo y K 2 es la del final

del intervalo; es decir que este método de Runge Kutta es equivalente al método de Heun

con una sola iteración de corrector.

Veamos cómo se resuelve el primer ejercicio de la guía con este método:

h=0,1 [0;4]

La solución analítica de esta ecuación diferencial está dada por:

0 80

La que podemos adoptar como solución verdadera. En el siguiente cuadro se comparan

las distintas soluciones encontradas:

8.4.2. MÉTODO DE RUNGE KUTTA DE TERCER ORDEN:

De manera análoga a la anterior y tomando n=3, se deduce el método de

Runge Kutta de tercer orden:

En los métodos de un paso, usamos la información de un punto xi para

predecir un valor de la variable dependiente yi+1 , en un punto posterior xi+1. En los

métodos múltiple pasos o de pasos múltiples, usamos la información de más puntos para

analizar la tendencia que va tomando la solución:

Métodos de un paso

Métodos de pasos múltiples

y 𝑥𝑖 𝑥𝑖 (^1) x y 𝑥𝑖 2 𝑥𝑖 1 𝑥𝑖^ 𝑥𝑖^1 x

8.5.1 MÉTODO DE ADAMS – BASHFORTH

Donde los y los errores de truncamiento están en función del orden :

orden Error

8.5.2. MÉTODO DE ADAMS - MOULTON

Donde los y los errores de truncamiento están en función del orden