常微分方程的六大模型,利用高阶常微分方程模型—饿狼追兔问题

2021-02-24 05:24:16 字数 3594 阅读 6100

1楼:匿名用户

常微分方程:抄

定义1:凡含有参数,未知函数和未知函数导数 (或微分) 的方程,称为微分方程,有时简称为方程,未知函数是一元函数的微分方程称作常微分方程,未知函数是多元函数的微分方程称作偏微分方程。微分方程中出现的未知函数最高阶导数的阶数,称为微分方程的阶。

定义式如下:

定义2:任何代入微分方程后使其成为恒等式的函数,都叫做该方程的解.若微分方程的解中含有任意常数的个数与方程的阶数相同,且任意常数之间不能合并,则称此解为该方程的通解(或一般解).

当通解中的各任意常数都取特定值时所得到的解,称为方程的特解。

一般地说,n 阶微分方程的解含有 n个任意常数。也就是说,微分方程的解中含有任意常数的个数和方程的阶数相同,这种解叫做微分方程的通解。通解构成一个函数族。

如果根据实际问题要求出其中满足某种指定条件的解来,那么求这种解的问题叫做定解问题,对于一个常微分方程的满足定解条件的解叫做特解。对于高阶微分方程可以引入新的未知函数,把它化为多个一阶微分方程组。

利用高阶常微分方程模型—饿狼追兔问题

2楼:

http://*********.edu.**/download*****.php?serial_number=200906-555&type=1

http://*********.edu.**

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故(24)式可变为

3 11 2 10 2 200

30 3

y = x x + (25)

令x=0,可求得y=

2003

=66.67

因为y=66.67>60,所以在狼追上兔子之前,兔子已经安全逃回到洞穴之中,饿狼只能

干瞪眼了。

4.2 用数值方法求解兔子能否安全回到巢中

前面已经用解析法判断出狼并没有追上兔子,那么我们现在再用数值微分法求出(9)

式中x=0 时y 的值,再将y 值与60 比较,若y 大于60,则也说明在兔子安全逃回洞穴之前,

狼没有追上兔子,下面就是用数值微分法并借助matlab 软件判断狼是否能够追上兔子的方

法:利用matlab 软件中的ode45 函数求出二阶常微分方程的初值,并求出x=100 时y 的值

即可判断出狼是否能够追上兔子[5]。具体matlab 程序如下:

先建立odefun 函数:

function f=odefun(x,y)

f(1,1)=y(2);

f(2,1)=sqrt(1+y(2).^2)./(2.*x);

再在主程序中输入如下程序:

t=100:-0.1:0.1;

y0=[0 0];

[t,y] = ode45('odefun',t,y0);

n=size(y,1);

y(n,1)

即可输出结果:

ans =63.5007

x=0.1 时,y=63.5007>60,而当x=0 时y>63.5007 当然也大于60,所以狼在兔子进洞之前

并没有能够追上兔子,一顿美餐就这样从它眼前没了。

5 结果分析

从图 2 可以粗略的看出x=0 时y 的值大于60,用数学解析法也算出y 值等于66.67 大于

60,用数值微分法算出来的y 值也大于60。所以,从种种计算方法表明,在兔子就如洞穴

之前,狼时无法将其擒获的。

如果换个角度考虑,假设狼知道兔子的洞穴所在,直接跑向其洞穴处守洞待兔。那么根

据勾股定理[6],狼运动的距离s= 6 0 2 + 1 0 0 2 =116.6m,此时兔子运动距离为s/2=58.3<60。

也就是说兔子还没有逃进洞里,而狼已经再其洞口等待,那么兔子就不敢进洞,只要兔子没

法进洞,狼的速度是兔子的2 倍,狼就可将其擒获。可惜,饥饿而又贪婪的狼只想着怎么样

快速的追上兔子美餐一顿,**有时间而且也不会进行这么复杂的计算,并且很多情况下狼

是不知道兔子的洞穴所在,所以,狼只能在快要追到兔子的时候看着兔子溜掉而干瞪眼了

3楼:葉南

现有一只兔子、一匹狼,兔子位于狼的正西100米处,假设兔子与狼同时发现对方并一起起跑,兔子往正北60米处的巢穴跑,而狼在追兔子。已知兔子、狼是匀速跑且狼的速度是兔子的两倍。

要求:(1)建立狼的运动轨迹微分模型。

(2)画出兔子与狼的运动轨迹图形。

(3)用解析方法求解,问兔子能否安全回到巢穴?

(4)用数值方法求解,问兔子能否安全回到巢穴?

【注】常微分方程高阶初值问题的matlab库函数为:ode45。

语法为:[t,y] =ode45(odefun,tspan,y0)

例如函数: function dy = rigid(t,y)

dy = zeros(3,1); % a column vector

dy(1) = y(2) * y(3);

dy(2) = -y(1) * y(3);

dy(3) = -0.51 * y(1) * y(2);

设置选项:

options = odeset('reltol',1e-4,'abstol',[1e-4 1e-4 1e-5]);

求解得:

[t,y] = ode45(@rigid,[0 12],[0 1 1],options);

画出解函数曲线图形:

plot(t,y(:,1),'-',t,y(:,2),'-.',t,y(:,3),'.')

pm2.5扩散模型,常微分方程或者偏微分方程都行

4楼:

菲克第二定律是在第一定律的基础上推导出来的。菲克第二定律指出,在非稳态扩散内过程中,在距离容x处,浓度随时间的变化率等于该处的扩散通量随距离变化率的负值,即   将代入上式,得    ······(2)   这就是菲克第二定律的数学表达式。如果扩散系数d与浓度无关,则该式可以写成    ······(3)   上式中,c为扩散物质的体积浓度(kg/m), t为扩散时间(s), x为距离(m)。

实际上,固溶体中溶质原子的扩散系数d是随浓度变化的,为了使求解扩散方程简单些,往往近似地把d看作恒量处理。   式(2)和(3)都是偏微分方程,求解时应先作变换:令,这样,式(3.

7-3)就可以变成一个常微分方程,再结合初始条件和边界条件求出方程的通解。利用通解可以解决包括非稳态扩散的具体问题。

为什么线性定常系统的数学模型是高阶常系数线性微分方程

5楼:匿名用户

要求bai是有的,但是仅仅限于

du二阶三阶及以上的

zhi目前一概不考dao。教育部回

颁布的考研数学三答大纲(包括2017年的大纲,2018年的尚未公布)就是这样写的:

......

3.会解二阶常系数齐次线性微分方程.

4.了解线性微分方程解的性质及解的结构定理,会解自由项为多项式.指数函数.正弦函数.余弦函数的二阶常系数非齐次线性微分方程.

......

所以如果时间紧的话只要准备二阶的就可以了

常系数齐次线性微分方程和可降阶的高阶微分方程的区别

1楼 援手 常系数齐次线性微分方程当然也是y f y y 型的,但解 y f y y 型的微分方程需要积两次分,比较麻烦,而常系数齐次线性微分方程由于其方程的特殊性,可以通过特殊方法,不用积分,而转化成解一元二次的代数方程,这比作变量代换y p y 再积分要简单的多。 2楼 匿名用户 如果是一元的当...