Il problema di Cauchy



Documenti analoghi
Metodi a più passi. Esempi

Cenni sulla risoluzione numerica di equazioni differenziali ordinarie (ODE) f(t, y(t))dt. y (t)dt = y(x) y(x 0 ) =

Complementi di Matematica e Calcolo Numerico A.A Laboratorio 11 - Metodi numerici per equazioni differenziali ordinarie

Metodi numerici per ODE. Metodi numerici per ODE

Complementi di Matematica e Calcolo Numerico A.A Laboratorio 9 Metodi numerici per equazioni differenziali ordinarie

Complementi di Matematica e Calcolo Numerico A.A Laboratorio 11 - Metodi numerici per equazioni differenziali ordinarie

Complementi di Matematica e Calcolo Numerico A.A Laboratorio 12 Metodi numerici per equazioni differenziali ordinarie

Daniela Lera A.A

Complementi di Matematica e Calcolo Numerico A.A Laboratorio 11 Metodi numerici per equazioni differenziali ordinarie

Soluzione numerica di equazioni differenziali

Metodi ad un passo espliciti

Complementi di Matematica e Calcolo Numerico A.A Laboratorio 11 - Metodi numerici per equazioni differenziali ordinarie

Corso di Calcolo Numerico

Eulero esplicito: Questo metodo approssima la derivata di una funzione con le differenze in avanti. La formula iterativa è la seguente:

Complementi di Matematica e Calcolo Numerico A.A Laboratorio 10

Francesca Mazzia Dipartimento di Matematica Università di Bari. Equazioni Differenziali

Corso di Analisi Numerica

Corso di Analisi Numerica

EQUAZIONI DIFFERENZIALI

Corso di Calcolo Numerico

Lezione 7 Equazioni Differenziali Ordinarie.

Metodi numerici per la risoluzione di equazioni. Equazioni differenziali ordinarie

METODO DI EULERO ESPLICITO

Matematica con elementi di Informatica

Corso di Calcolo Numerico

Equazioni differenziali Corso di Laurea in Scienze Biologiche Istituzioni di Matematiche A.A Dott.ssa G. Bellomonte

Consideriamo il seguente sistema di equazioni differenziali ordinarie (ODE) ai valori iniziali:

Equazione del calore

Mattia Zanella

19 Marzo Equazioni differenziali.

Metodi numerici per equazioni differenziali ordinarie. Calcolo Numerico a.a. 2008/2009

Esercitazione 4 - Matematica Applicata

CAPITOLO VIII EQUAZIONI DIFFERENZIALI. Consideriamo il seguente problema di Cauchy per i sistemi di equazioni differenziali del primo ordine :

Analisi Numerica I - Secondo appello a.a Correzione 10 febbraio 2017

Algoritmi numerici. Zeri di una funzione. Integrale di una funzione. Soluzione di una equazione differenziale

Esercitazioni di Analisi e Simulazione dei Processi Chimici

Equazioni differenziali

Calcolo Numerico - A.A Laboratorio 6

ESERCIZI DI ANALISI MATEMATICA II. sin(tv) v. f(v) dv = (1 + t) (e 1/t + 1)

Metodi Numerici con elementi di Programmazione (A.A )

Prova scritta di Analisi Matematica III

Contenuti. (b) tipi di errori: errori di discretizzazione locali e globali; errori di arrotondamento; metodi consistenti

Integrazione numerica

Complementi di Analisi Matematica. Foglio di esercizi n.8 18/04/2018

Raccolta di Esercizi d esame ( di Calcolo Numerico) Prof. Laura Pezza. Equazioni non lineari

Metodi Numerici con Laboratorio di Informatica - A.A Esercizi Laboratorio n 4 - Metodo di Newton e Metodi di punto fisso

Equazioni differenziali a variabili separabili e lineari del primo ordine. Esercizi.

Complementi di Matematica e Calcolo Numerico A.A Laboratorio 11 - Metodi numerici per equazioni differenziali ordinarie

METODI DI COLLOCAZIONE POLINOMIALE (Metodi di Runge-Kutta continui) November 30, 2004

1 Richiami di teoria sui problemi di Cauchy

Successioni e serie di funzioni

y = f(t, y) y = y y(0) = 0,

LE EQUAZIONI DIFFERENZIALI del PRIMO e del SECONDO ORDINE

Esercizi Svolti di Analisi Numerica

METODI NUMERICI PER IL CONTROLLO

EQUAZIONI DIFFERENZIALI Esercizi svolti. y = xy. y(2) = 1.

Analisi Numerica. Debora Botturi ALTAIR. Debora Botturi. Laboratorio di Sistemi e Segnali

Analisi Vettoriale - A.A Foglio di Esercizi n. 6 Soluzioni. 1. Esercizio Determinare l integrale generale dell equazione autonoma.

Introduzione alle equazioni differenziali attraverso esempi. 20 Novembre 2018

Esame di Complementi di Matematica (STC) e Parziale di Matematica II (SMat). 3 Maggio Soluzioni

()Probablità, Statistica e Processi Stocastici

Fondamenti di Calcolo Numerico. Appunti relativi alla soluzione numerica di un problema di Cauchy

Equazioni differenziali ordinarie

EQUAZIONI DIFFERENZIALI Esercizi con soluzione

Sia assegnata la seguente equazione differenziale con condizione iniziale

1 Equazioni Differenziali

Analisi Matematica I

Analisi Numerica Corso di Laurea in Ingegneria Elettrotecnica

Equazioni separabili. Un esempio importante

Modellistica e Simulazione. Outline. Notes. Notes. Luigi Iannelli. 6 giugno Introduzione. Generalità sui metodi numerici di integrazione

Sistemi differenziali 2 2: esercizi svolti. 1 Sistemi lineari Stabilità nei sistemi lineari

Facoltà di Scienze MM.FF.NN. Corso di Laurea in Matematica - A.A Prova scritta di Analisi Matematica II del c.1.

Complementi di Analisi Matematica. Foglio di esercizi n.9 10/04/2017 (Aggiornamento del 26/04/2017)

Corso di Laurea in Ingegneria Edile-Architettura ANALISI MATEMATICA I. Prova scritta del 8 Gennaio 2014

Daniela Lera A.A

EQUAZIONI DIFFERENZIALI. 1. Trovare tutte le soluzioni delle equazioni differenziali: (a) x = x 2 log t (d) x = e t x log x (e) y = y2 5y+6

INTEGRAZIONE NUMERICA

SPAZI METRICI COMPLETI

Corso di Matematica per la Chimica. Dott.ssa Maria Carmela De Bonis a.a

Equazioni differenziali ordinarie

Cenni sull integrazione numerica delle equazioni differenziali. Corso di Dinamica e Simulazione dei Sistemi Meccanici

Appunti sul corso di Complementi di Matematica ( modulo Analisi)- prof. B.Bacchelli

Assoluta stabilità e metodi multipasso. Assoluta stabilità

Prima prova in Itinere Ist. Mat. 1, Prima parte, Tema ALFA COGNOME: NOME: MATR.:

CALCOLO NUMERICO Laurea di base in Ingegneria Elettronica e delle Comunicazioni

Equazioni differenziali ordinarie

n (x i x j ), det V = i>j

Sistemi dinamici a tempo discreto

1) D0MINIO. Determinare il dominio della funzione f (x) = ln ( x 3 4x 2 3x). Deve essere x 3 4x 2 3x > 0. Ovviamente x 0.

TECNICHE COMPUTAZIONALI AVANZATE

COMPLETAMENTO DI SPAZI METRICI

Correzione del compito di Analisi 1 e 2 del giorno 09/06/2017

EQUAZIONI DIFFERENZIALI Esercizi svolti. y = xy. y(2) = 1.

Equazioni differenziali ordinarie

Appendici Definizioni e formule notevoli Indice analitico

Equazioni differenziali ordinarie

Problema. Equazioni non lineari. Metodo grafico. Teorema. Cercare la soluzione di

Transcript:

Sia I = [t 0, t 0 + T ] con 0 < T < +. Sia f (t, y) una funzione assegnata definita in I R continua rispetto ad entrambe le variabili. Si trata di determinare una funzione y C 1 (I ) soluzione di { y (t) = f (t, y(t)) t I y(t 0 ) = y 0 (1)

Esistenza e unicità di soluzione Una funzione f (t, y) si dice che è lipschitziana nella variabile y in un insieme D R 2 se esiste una costante L > 0 tale che per ogni (t, y 1 ), (t, y 2 ) D. f (t, y 1 ) f (t, y 2 ) L y 1 y 2 Sia D = {(t, y) t 0 t t 0 + T, y R} con 0 < T < +. Se f (t, y) è continua e lipschitziana nella variabile y in D allora il problema di Cauchy (1) ha una soluzione unica per t 0 t t 0 + T.

Funzioni lipschitziane Sia g : Σ R R una funzione lipschitziana, cioè, esiste una costante L > 0 tale che g(x 1 ) g(x 2 ) L x 1 x 2 x 1, x 2 Σ, allora g è continua in Σ. Non tutte le funzioni continue sono lipschitziane. Per esempio g(x) = x 1/3 è continua ma non è lipschitziana in [ 1, 1]. Se g C 1 (Σ) e esiste una costante K > 0 tale che g (x) K per ogni x Σ allora g è lipschitziana in Σ perche g(x 1 ) g(x 2 ) = g ( x) (x 1 x 2 ) K x 1 x 2. La funzione g(x) = x C 1 ([ 1, 1]) ma è lipschitziana in [ 1, 1] perche x 1 x 2 x 1 x 2..

Buona posizione { y (t) = f (t, y(t)) t I := [t 0, t 0 + T ] y(t 0 ) = y 0 si dice che è ben posto se esiste una unica soluzione del problema; chiamando z(t) alla soluzione del problema { z (t) = f (t, z(t)) + δ(t) t I z(t 0 ) = y 0 + δ 0 dove δ è una funzione continua in I la perturbazione (δ0, δ(t)) verifica δ 0 < ɛ e δ(t) < ɛ per ogni t I con ɛ sufficientement piccolo, allora esiste una costante K indipendente da ɛ tale che y(t) z(t) < Kɛ t I.

Buona posizione Sia D = {(t, y) t 0 t t 0 + T, y R} con 0 < T < +. Se f (t, y) è continua e lipschitziana nella varibile y in D allora il problema di Cauchy (1) è ben posto.

Esempi { y (t) = 1 + t sin(ty) t [0, 2] y(0) = 0 f (t, y) = 1 + t sin(ty) è lipschitziana nella variabile y: f (t, y 1 ) f (t, y 2 ) = t sin(ty 1 ) t sin(ty 2 ) = t 2 cos(tŷ) y 1 y 2 4 y 1 y 2. { y = y + t + 1 t [0, 10] y(0) = 1 f (t, y) = y + t + 1 è lipschitziana nella variabile y: f (t, y 1 ) f (t, y 2 ) = y 1 + y 2 = y 1 y 2.

Esempi In questo secondo esempio possiamo verificare la buona posizione. { y = y + t + 1 t [0, 10] y(t) = e t + t y(0) = 1 Siano δ e δ 0 due costanti. { z = z + t + 1 + δ t [0, 10] z(0) = 1 + δ 0 z(t) = (1 + δ 0 δ)e t + t + δ Se δ < ɛ e δ 0 < ɛ allora z(t) y(t) = (δ 0 δ)e t + δ δ (1 e t ) + δ 0 e t 2ɛ per ogni t [0, 10].

Risoluzione numerica del problema di Cauchy Fissato 0 < T < +, sia I = (t 0, t 0 + T ). L intervallo I si divide in N sottointervalli di ampieza h = T /N. Sia t n = t 0 + nh, con n = 0, 1,..., N, la successione dei nodi di discretizzazione di I in sottointervalli I n = [t n 1, t n ], n = 1,..., N. Nella risoluzione numerica del problema di Cauchy calcolaremo una successione di valori u n, con n = 0, 1,..., N tali che u n approssimi y(t n ).

Eulero esplicito Dallo sviluppo di Taylor y(t + h) = y(t) + hy (t) + h2 2 y (ξ) usando l equazione differenziale segue che y(t n+1 ) = y(t n ) + h f (t n, y(t n )) + O(h 2 ) Metodo di Eulero esplicito { un+1 = u n + h f (t n, u n ) n = 0,..., N 1 u 0 = y 0

Eulero implicito Usando adesso lo sviluppo di Taylor segue y(t h) = y(t) hy (t) + h2 2 y (ξ) y (t) = y(t) y(t h) h + O(h) y (t n+1 ) = f (t n+1, y(t n+1 )) = y(t n+1) y(t n ) h y(t n+1 ) = y(t n ) + h f (t n+1, y(t n+1 )) + O(h 2 ) + O(h) Metodo di Eulero implicito { un+1 = u n + hf (t n+1, u n+1 ) n = 0,..., N 1 u 0 = y 0

Punto medio Consideriamo adesso i due sviluppi di Taylor y(t + h) = y(t) + hy (t) + h2 2 y (t) + h3 6 y (ξ), y(t h) = y(t) hy (t) + h2 2 y (t) h3 6 y (ζ). Prendendo la differenza y(t + h) y(t h) = 2hy (t) + h3 6 (y (ξ) + y (ζ)) y (t) = y(t + h) y(t h) 2h + O(h 2 )

Punto medio y (t) = y(t + h) y(t h) 2h + O(h 2 ) y (t n ) = f (t n, y(t n )) = y(t n+1) y(t n 1 ) 2h + O(h 2 ) y(t n+1 ) = y(t n 1 ) + 2h f (t n, y(t n )) + O(h 3 ) Metodo del punto medio u n+1 = u n 1 + 2h f (t n, u n ) n = 1,..., N 1 u 0 = y 0 u 1 = y 1

Crank-Nicolson Dall equazione differenziale y (t) = f (t, y(t)), integrando fra t n e t n+1 y(t n+1 ) y(t n ) = tn+1 t n y (t) dt = tn+1 t n f (t, y(t)) dt. Usando il metodo del trapezio per approssimare l integrale y(t n+1 ) y(t n ) = h 2 [f (t n, y(t n )) + f (t n+1, y(t n+1 ))] + O(h 3 ) Metodo di Crank-Nicolson { un+1 = u n + h 2 [f (t n, u n ) + f (t n+1, u n+1 )] n = 0,..., N 1 u 0 = y 0

Metodi di Taylor Consideriamo lo sviluppo di Taylor della funzione soluzione (ad esempio fino al termine di secondo ordine) y(t + h) = y(t) + h y (t) + h2 2 y (t) + O(h 3 ) Usando l equazione differenziale Quindi y (t) = f (t, y(t)) y (t) = f t (t, y(t)) + y (t) f y (t, y(t)). y(t n+1 ) = y(t n ) + h f (t n, y(t n )) + h2 2 [f t(t n, y(t n )) + f (t n, y(t n )) f y (t n, y(t n ))] + O(h 3 )

Metodi di Taylor Metodo di Taylor di ordine 2 u n+1 = u n + h f (t n, u n ) + h2 2 [f t(t n, u n ) + f (t n, u n )f y (t n, u n )] n = 0,..., N 1 u 0 = y 0 Il metodo di Eulero esplicito è il metodo di Taylor di ordine 1. Usando lo sviluppo fino al termine di ordine 3, 4,..., si ottengono i metodi di Taylor di ordine 3, 4,...

Risoluzione numerica del problema di Cauchy Metodi ad un passo Eulero esplicito Eulero implicito Crank-Nicolson Taylor Metodi a più passi Punto medio Metodi espliciti Eulero esplicito Punto medio Taylor Metodi impliciti Eulero implicito Crank-Nicolson