6.1. Методы решения задачи Коши

Среди задач, с которыми приходится иметь дело в вычислительной практике, значительную часть составляют различные задачи, сводящиеся к решению обыкновенных дифференциальных уравнений. Обычно приходится прибегать к помощи приближенных методов решения подобных задач. В случае обыкновенных дифференциальных уравнений в зависимости от того, ставятся ли дополнительные условия в одной или нескольких точках отрезка изменения независимой переменной, задачи обычно подразделяются на одноточечные (задачи с начальными условиями или задачи Коши) и многоточечные. Среди многоточечных задач наиболее часто в прикладных вопросах встречаются так называемые граничные задачи, когда дополнительные условия ставятся на концах рассматриваемого отрезка.

В дальнейшем ограничимся рассмотрением численных методов решения задачи Коши. Для простоты изложения методов решения задачи будем рассматривать случай одного обыкновенного дифференциального уравнения первого порядка.

Пусть на отрезке x₀  x  b требуется найти решение y(x) дифференциального уравнения

, (6.1)

удовлетворяющее при x = x₀ начальному условию

(6.2)

Будем считать, что условия существования и единственности решения поставленной задачи Коши выполнены.

На практике найти общее либо частное решение задачи Коши удается крайне редко, поэтому приходится решать эту задачу приближенно. Отрезок [x_0, b] накрывается сеткой (разбивается на интервалы) чаще всего с постоянным шагом h ( h = x_n+1 - x_n ), и по какому-то решающему правилу находится значение y_n+1 = y(x_n+1). Таким образом, в качестве решения задачи Коши численными методами мы получаем таблицу, состоящую из двух векторов: x = (x₀ , x_{1 , …}x_n) – вектора аргументов и соответствующего ему вектора функции y = ( y_{0 ,} y₁,_… y_n ).

Численные методы (правила), в которых для нахождения значения функции в новой точке используется информация только об одной (предыдущей) точке, называются одношаговыми.

Численные методы (правила), в которых для нахождения значения функции в новой точке используется информация о нескольких (предыдущих) точках, называются многошаговыми.

Из общего курса обыкновенных дифференциальных уравнений широкое распространение получил аналитический метод, основанный на идее разложения в ряд решения рассматриваемой задачи Коши. Особенно часто для этих целей используется ряд Тейлора. В этом случае вычислительные правила строятся особенно просто. При этом приближенное решение y_m(x) исходной задачи ищут в виде

(6.3)

Здесь а значения i = 2, 3,…m находят по формулам, полученным последовательным дифференцированием уравнения (6.1):

(6.4)

Для значений x, близких к x₀, метод рядов (6.3) при достаточно большом значении m дает обычно хорошее приближение к точному решению y(x) задачи (6.1). Однако с ростом расстояния x - x₀  погрешность приближенного равенства y(x)  y_m(x), вообще говоря, возрастает по абсолютной величине, и правило (6.3) становится вовсе неприемлемым, когда x выходит из области сходимости соответствующего ряда (6.3) Тейлора.

Если в выражении (6.3) ограничиться m = 1, то для вычисления новых значений y(x) нет необходимости пересчитывать значение производной, правда и точность решения будет невысока. Графическая интерпретация этого метода приведена на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Разложение функции в ряд Тейлора (m=1)