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自学教程:python 解决微分方程的操作(数值解法)

51自学网 2021-10-30 22:37:36
  python
这篇教程python 解决微分方程的操作(数值解法)写得很实用,希望能帮到您。

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```pythonimport numpy as npfrom scipy.integrate import odeintfrom matplotlib import pyplot as pltimport 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.list3step = 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pltplt.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 npimport matplotlib.pyplot as plt L = 0.01  #电容的值 FC = 0.01  #电感的值 Lu_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 npimport matplotlib.pyplot as plt L = 0.01  #电容的值 FC = 0.01  #电感的值 LR = 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51zixue.net。


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