Курсовая работа: Решение систем дифференциальных уравнений при помощи неявной схемы Адамса 3-го порядка

Блок-схема алгоритма условно разбита на 11 блоков.

Главная функция программы (блоки 1,2,5) отвечает за обработку события создания формы, взаимодействие со стандартным компонентом TСhart, а также за реализацию решения системы дифференциальных уравнений неявной схемой Адамса 3-го порядка. Блок-схема алгоритма решения задачи Коши разбита условно на 35 блоков:

1-й блок отвечает за ручной ввод интервала [a,b], на котором ищется решение системы; количества шагов сетки nx; шаг вывода результатов на экран np; строк u1 и v1, соответствующих уравнениям системы; значения искомых функций в начале заданного интервала; допустимая погрешность e.

Во втором блоке происходит вычисление шага h и установка текущего узла на x=a. Блок 3 – функция преобразования исходных записей уравнений системы в равносильные им строки с постфиксной формой записью математических операций (см. далее «алгоритм обратной польской записи»). В качестве аргументов функции выступают введённые ранее строки u1 и v1.

Блоки 4-15 – расчет первых 2-х точек заданной сетки методом Рунге-Кутта 4-го порядка. В данных блоках и далее используется пользовательская функция FPR, рассчитывающая значения вводимых пользователем уравнений в узлах заданной сетки. В качестве аргументов функции выступают: уже преобразованные в обратную польскую запись строки, задающие уравнения системы; текущее значение x; значения искомых функций на предыдущем шаге (условно обозначаем ).

В блоках 16-34 в цикле (16) рассчитываются значения искомых решений в узлах 2-nx заданной сетки неявной схемой Адамса 3-го порядка. Цикл 21-29 осуществляет итерационную процедуру неявной схемы. Условие выхода из этого цикла – выполнение неравенства de<e, где de – наибольший из модулей , e – заданная точность. Поскольку на экран выводятся значения искомых функций не во всех узлах, а только в узлах с номером, кратным шагу вывода nx, вводимым с клавиатуры, то блоки 33-34 осуществляют выбор этих узлов.

Преобразование в обратную польскую запись происходит по следующим правилам:

Рассматриваем поочередно каждый символ:

1. Если этот символ - число (или переменная), то просто помещаем его в выходную строку.

2. Если символ - знак операции (+, -, *, / ,^), то проверяем приоритет данной операции. Операция возведения в степень имеет наивысший приоритет (равен 4). Операции сложения и вычитания имеют меньший приоритет (равен 2). Наименьший приоритет (равен 1) имеет открывающая скобка.

Получив один из этих символов, мы должны проверить стек:

а) Если стек все еще пуст, или находящиеся в нем символы (а находится в нем могут только знаки операций и открывающая скобка) имеют меньший приоритет, чем приоритет текущего символа, то помещаем текущий символ в стек.

б) Если символ, находящийся на вершине стека имеет приоритет, больший или равный приоритету текущего символа, то извлекаем символы из стека в выходную строку до тех пор, пока выполняется это условие; затем переходим к пункту а).

3. Если текущий символ - открывающая скобка, то помещаем ее в стек.

4. Если текущий символ - закрывающая скобка, то извлекаем символы из стека в выходную строку до тех пор, пока не встретим в стеке открывающую скобку (т.е. символ с приоритетом, равным 1), которую следует просто уничтожить. Закрывающая скобка также уничтожается.

Если вся входная строка разобрана, а в стеке еще остаются знаки операций, извлекаем их из стека в выходную строку.

Согласно этим правилам создан модуль ”Unit3.cpp”, содержащий функцию преобразования строки в обратную польскую запись OPZ (блок 3 в блок-схеме алгоритма), алгоритм которой приведён в приложении. В данном модуле использованы также вспомогательные функции PUSH, PRIOR, DEL. Функция PUSH записывает в стек, на вершину которого указывает HEAD, символ a. Возвращает указатель на новую вершину стека. Функция PRIOR вычисляет приоритет текущего символа, естественно, лишь в том случае, если текущий символ – математическая операция. Функция DEL удаляет символ с веpшины стека. Возвpащает удаляемый символ. Изменяет указатель на веpшину стека.

Для работы с полученной обратной польской записью создана функция(блок 4), организованная в виде подключаемого модуля “Unit5.cpp”. Блок-схема данной функции приведена в приложении. На начальном этапе (блоки 1-13) в цикле анализируется строка, содержащая обратную польскую запись. Если символ ранее задекларирован (‘x’,’u’,’v’,’e’,’1’..’9’), то его значение заносится в текущий элемент массива th. На следующем этапе (блоки 14-29) осуществляется «обратный ход» польской нотации: анализируется каждый символ строки, и если этот символ ранее задекларирован, то его значение помещается в стек (блоки 15-17). В случае, если текущий символ – знак математической операции , то из стека извлекаются последние два элемента и с ними проводится указанная операция. Результат заносится на вершину стека. Стек в функции реализован в виде однонаправленного массива типа double. Функция возвращает первый элемент стека.

5. Описание программы

После проведённого обзора программных средств для разработки данного программного продукта, была выбрана среда BorlandC++ Builder. Язык С++ хорошо зарекомендовал себя эффективностью, лаконичностью записи алгоритмов, логической стройностью программы, хорошей переносимостью. Программы, написанные на языке С++, сравнимы по скорости с программами, написанными на языке ассемблера; при этом они более наглядны и просты в сопровождении. Среда BorlandC++ Builder является средством быстрой разработки windows-приложений, позволяющее создавать приложения на языке С++, используя среду разработки и библиотеку компонентов Delphi.

Готовая программа представляет собой исполняемый файл с именем “Adams3.exe”, реализованный в виде Widows-приложения в среде BorlandC++ Builder. После запуска программы на рабочем окне появляется рабочее окно с заголовком «Решение систем дифференциальных уравнений» ( см. Приложение 3, рис.1). В активном окне можно выделить следующие области:

1) Область ввода исходных данных.

2) Окно вывода результатов.

3) Поле отображения графиков полученных функций, являющихся

решением заданной системы, и графиков истинного решения.

4) Основное меню.

1) Область исходных данных содержит поля, в которые требуется ввести начальные данные: систему дифференциальных уравнений; интервал, на котором требуется найти решение заданной системы; допустимую погрешность; условия Коши в начальной точке заданного интервала; количество шагов “сетки” и шаг вывода полученных значений искомых функций в узлах сетки.

В поля ”du/dx= “ и “dv/dx= “ вводятся дифференциальные уравнения, содержащие символы, ‘u’, ‘v’ ‘x’, ‘e’, ’1’..’9’, ’+’, ’-‘, ‘*’, ‘/’, ‘^’, ‘(‘, ‘)’. Здесь: символы ‘u’ и ‘v’ представляют собой искомые функции, символ ‘e’ является основанием натурального логарифма, символ ‘^’ обозначает операцию возведения в степень. Использование других символов нежелательно, так как они будут проигнорированы программой.

Поля с заглавием «интервал [a;b]» содержат начальную и конечную точку промежутка, на котором будет найдено решение заданной системы.

В поле «количество шагов сетки» требуется ввести целое число, равное количеству точек по оси OX на заданном интервале, в которых ищем значения функций u(x) и v(x).