MATLAB精通科学计算_偏微分方程求解
Matlab求解微分方程(组)及偏微分方程(组)
第四讲 Matlab 求解微分方程（组）理论介绍：Matlab 求解微分方程（组）命令 求解实例：Matlab 求解微分方程（组）实例实际应用问题通过数学建模所归纳得到的方程，绝大多数都是微分方程，真正能得到代数方程的机会很少.另一方面，能够求解的微分方程也是十分有限的，特别是高阶方程和偏微分方程（组）.这就要求我们必须研究微分方程（组）的解法：解析解法和数值解法. 一．相关函数、命令及简介1.在Matlab 中，用大写字母D 表示导数，Dy 表示y 关于自变量的一阶导数，D2y 表示y 关于自变量的二阶导数，依此类推.函数dsolve 用来解决常微分方程（组）的求解问题，调用格式为：X=dsolve(‘eqn1’,’eqn2’,…)函数dsolve 用来解符号常微分方程、方程组，如果没有初始条件，则求出通解，如果有初始条件，则求出特解.注意，系统缺省的自变量为t2.函数dsolve 求解的是常微分方程的精确解法，也称为常微分方程的符号解.但是，有大量的常微分方程虽然从理论上讲，其解是存在的，但我们却无法求出其解析解，此时，我们需要寻求方程的数值解，在求常微分方程数值解方面，MATLAB 具有丰富的函数，我们将其统称为solver ，其一般格式为：[T,Y]=solver(odefun,tspan,y0)说明：(1)solver 为命令ode45、ode23、ode113、ode15s 、ode23s 、ode23t 、ode23tb 、ode15i 之一.(2)odefun 是显示微分方程'(,)y f t y =在积分区间tspan 0[,]f t t =上从0t 到ft 用初始条件0y 求解.(3)如果要获得微分方程问题在其他指定时间点012,,,,f t t t t 上的解，则令tspan 012[,,,]f t t t t =(要求是单调的).(4)因为没有一种算法可以有效的解决所有的ODE 问题，为此，Matlab 提供了多种求解器solver ，对于不同的ODE 问题，采用不同的solver.表1 Matlab中文本文件读写函数说明：ode23、ode45是极其常用的用来求解非刚性的标准形式的一阶微分方程（组）的初值问题的解的Matlab常用程序，其中：ode23采用龙格-库塔2阶算法，用3阶公式作误差估计来调节步长，具有低等的精度.ode45则采用龙格-库塔4阶算法，用5阶公式作误差估计来调节步长，具有中等的精度.3．在matlab命令窗口、程序或函数中创建局部函数时，可用内联函数inline，inline函数形式相当于编写M函数文件，但不需编写M-文件就可以描述出某种数学关系.调用inline函数，只能由一个matlab表达式组成，并且只能返回一个变量，不允许[u,v]这种向量形式.因而，任何要求逻辑运算或乘法运算以求得最终结果的场合，都不能应用inline函数，inline函数的一般形式为：FunctionName=inline(‘函数内容’, ‘所有自变量列表’)例如：（求解F(x)=x^2*cos(a*x)-b ,a,b是标量；x是向量）在命令窗口输入:Fofx=inline(‘x .^2*cos(a*x)-b ’ , ‘x ’,’a ’,’b ’); g= Fofx([pi/3 pi/3.5],4,1) 系统输出为：g=-1.5483 -1.7259注意：由于使用内联对象函数inline 不需要另外建立m 文件，所有使用比较方便，另外在使用ode45函数的时候，定义函数往往需要编辑一个m 文件来单独定义，这样不便于管理文件，这里可以使用inline 来定义函数. 二．实例介绍1.几个可以直接用Matlab 求微分方程精确解的实例 例1 求解微分方程2'2x y xy xe -+=程序：syms x y; y=dsolve(‘Dy+2*x*y=x*exp(-x^2)’,’x ’)例 2 求微分方程'0x xy y e +-=在初始条件(1)2y e =下的特解并画出解函数的图形.程序：syms x y; y=dsolve(‘x*Dy+y-exp(1)=0’,’y(1)=2*exp(1)’,’x ’);ezplot(y)例 3 求解微分方程组530tdx x y e dtdy x y dt⎧++=⎪⎪⎨⎪--=⎪⎩在初始条件00|1,|0t t x y ====下的特解并画出解函数的图形.程序：syms x y t[x,y]=dsolve('Dx+5*x+y=exp(t)','Dy-x-3*y=0','x(0)=1','y(0)=0','t')simple(x); simple(y)ezplot(x,y,[0,1.3]);axis auto2.用ode23、ode45等求解非刚性标准形式的一阶微分方程（组）的初值问题的数值解（近似解）例 4 求解微分方程初值问题2222(0)1dy y x xdx y ⎧=-++⎪⎨⎪=⎩的数值解，求解范围为区间[0,0.5].程序：fun=inline('-2*y+2*x^2+2*x','x','y'); [x,y]=ode23(fun,[0,0.5],1); plot(x,y,'o-')例 5 求解微分方程22'2(1)0,(0)1,(0)0d y dyy y y y dt dtμ--+===的解，并画出解的图形.分析：这是一个二阶非线性方程，我们可以通过变换，将二阶方程化为一阶方程组求解.令12,,7dyx y x dtμ===，则 121221212,(0)17(1),(0)0dx x x dtdx x x x x dt⎧==⎪⎪⎨⎪=--=⎪⎩ 编写M-文件vdp.m function fy=vdp(t,x)fy=[x(2);7*(1-x(1)^2)*x(2)-x(1)]; end在Matlab 命令窗口编写程序 y0=[1;0][t,x]=ode45(@vdp,[0,40],y0);或[t,x]=ode45('vdp',[0,40],y0); y=x(:,1);dy=x(:,2); plot(t,y,t,dy)练习与思考：M-文件vdp.m 改写成inline 函数程序？ 3.用Euler 折线法求解Euler 折线法求解的基本思想是将微分方程初值问题00(,)()dyf x y dxy x y ⎧=⎪⎨⎪=⎩ 化成一个代数(差分)方程，主要步骤是用差商()()y x h y x h +-替代微商dydx，于是00()()(,())()k k k k y x h y x f x y x h y y x +-⎧=⎪⎨⎪=⎩记1,(),k k k k x x h y y x +=+=从而1(),k k y y x h +=+于是0011(),,0,1,2,,1(,).k k k k k k y y x x x h k n y y hf x y ++=⎧⎪=+=-⎨⎪=+⎩例 6 用Euler 折线法求解微分方程初值问题22(0)1dyx y dxy y ⎧=+⎪⎨⎪=⎩的数值解（步长h 取0.4），求解范围为区间[0,2].分析：本问题的差分方程为00110,1,0.4,0,1,2,,1(,).k k k k k k x y h x x h k n y y hf x y ++===⎧⎪=+=-⎨⎪=+⎩程序：>> clear >> f=sym('y+2*x/y^2'); >> a=0; >> b=2; >> h=0.4; >> n=(b-a)/h+1; >> x=0; >> y=1;>> szj=[x,y];%数值解 >> for i=1:n-1y=y+h*subs(f,{'x','y'},{x,y});%subs ，替换函数 x=x+h;szj=[szj;x,y]; end>>szj>> plot(szj(:,1),szj(:,2))说明：替换函数subs 例如：输入subs(a+b,a,4) 意思就是把a 用4替换掉，返回 4+b ，也可以替换多个变量，例如：subs(cos(a)+sin(b),{a,b},[sym('alpha'),2])分别用字符alpha 替换a 和2替换b ，返回 cos(alpha)+sin(2)特别说明：本问题可进一步利用四阶Runge-Kutta 法求解，Euler 折线法实际上就是一阶Runge-Kutta 法，Runge-Kutta 法的迭代公式为001112341213243(),,(22),6(,),0,1,2,,1(,),22(,),22(,).k k k k k k k k k k k k y y x x x h h y y L L L L L f x y k n h h L f x y L h h L f x y L L f x h y hL ++=⎧⎪=+⎪⎪=++++⎪⎪=⎪=-⎨⎪=++⎪⎪⎪=++⎪⎪=++⎩相应的Matlab 程序为：>> clear >> f=sym('y+2*x/y^2'); >> a=0; >> b=2; >> h=0.4; >> n=(b-a)/h+1; >> x=0; >> y=1;>> szj=[x,y];%数值解 >> for i=1:n-1l1=subs(f, {'x','y'},{x,y});替换函数 l2=subs(f, {'x','y'},{x+h/2,y+l1*h/2}); l3=subs(f, {'x','y'},{x+h/2,y+l2*h/2}); l4=subs(f, {'x','y'},{x+h,y+l3*h});y=y+h*(l1+2*l2+2*l3+l4)/6; x=x+h;szj=[szj;x,y]; end >>szj>> plot(szj(:,1),szj(:,2))练习与思考：(1)ode45求解问题并比较差异. (2)利用Matlab 求微分方程(4)(3)''20y y y -+=的解.(3)求解微分方程''2',2(1)0,030,(0)1,(0)0y y y y x y y --+=≤≤==的特解. (4)利用Matlab 求微分方程初值问题2''''00(1)2,|1,|3x x x y xy y y ==+===的解. 提醒：尽可能多的考虑解法 三．微分方程转换为一阶显式微分方程组Matlab 微分方程解算器只能求解标准形式的一阶显式微分方程（组）问题，因此在使用ODE 解算器之前，我们需要做的第一步，也是最重要的一步就是借助状态变量将微分方程（组）化成Matlab 可接受的标准形式.当然，如果ODEs 由一个或多个高阶微分方程给出，则我们应先将它变换成一阶显式常微分方程组.下面我们以两个高阶微分方程组构成的ODEs 为例介绍如何将它变换成一个一阶显式微分方程组.Step 1 将微分方程的最高阶变量移到等式左边，其它移到右边，并按阶次从低到高排列.形式为：()'''(1)'''(1)()'''(1)'''(1)(,,,,,,,,,,)(,,,,,,,,,,)m m n n m n x f t x x x x y y y y y g t x x x x y y y y ----⎧=⎨=⎩Step 2 为每一阶微分式选择状态变量，最高阶除外'''(1)123'''(1)123,,,,,,,,,m m n m m m m n x x x x x x x x x y x y x y x y--++++========注意：ODEs 中所有是因变量的最高阶次之和就是需要的状态变量的个数，最高阶的微分式不需要给它状态变量.Step 3 根据选用的状态变量，写出所有状态变量的一阶微分表达式''''122334123''12123,,,,(,,,,,),,(,,,,,)m m n m m m nm n x x x x x x x f t x x x x xx xg t x x x x +++++======练习与思考：(1)求解微分方程组**'''3312*'''3312()()22x x x y x r r y y y x y r r μμμμμμ⎧+-=+--⎪⎪⎨⎪=+--⎪⎩其中2r =1r =*1,μμ=-1/82.45,μ=(0) 1.2,x =(0)0,y ='(0)0,x ='(0) 1.049355751y =-(2)求解隐式微分方程组''''''''''''2235x y x y x y x y xy y ⎧+=⎨++-=⎩ 提示：使用符号计算函数solve 求'''',x y ，然后利用求解微分方程的方法 四．偏微分方程解法Matlab 提供了两种方法解决PDE 问题，一是使用pdepe 函数，它可以求解一般的PDEs,具有较大的通用性，但只支持命令形式调用；二是使用PDE 工具箱，可以求解特殊PDE 问题，PDEtoll 有较大的局限性，比如只能求解二阶PDE 问题，并且不能解决片微分方程组，但是它提供了GUI 界面，从复杂的编程中解脱出来，同时还可以通过File —>Save As 直接生成M 代码.1.一般偏微分方程（组）的求解(1)Matlab 提供的pdepe 函数，可以直接求解一般偏微分方程（组），它的调用格式为：sol=pdepe(m,@pdefun,@pdeic,@pdebc,x,t)@pdefun 是PDE 的问题描述函数，它必须换成标准形式：(,,)[(,,,)](,,,)m m u u u uc x t x x f x t u s x t u x t x x x-∂∂∂∂∂=+∂∂∂∂∂ 这样，PDE 就可以编写入口函数：[c,f,s]=pdefun(x,t,u,du)，m,x,t 对应于式中相关参数，du 是u 的一阶导数，由给定的输入变量可表示出c,f,s 这三个函数.@pdebc 是PDE 的边界条件描述函数，它必须化为形式：(,,)(,,).*(,,,)0up x t u q x t u f x t u x∂==∂ 于是边值条件可以编写函数描述为：[pa,qa,pb,qb]=pdebc(x,t,u,du),其中a 表示下边界，b 表示上边界.@pdeic 是PDE 的初值条件，必须化为形式：00(,)u x t u =，故可以使用函数描述为：u0=pdeic(x)sol 是一个三维数组，sol(:,:,i)表示i u 的解，换句话说，k u 对应x(i)和t(j)时的解为sol(i,j,k)，通过sol ，我们可以使用pdeval 函数直接计算某个点的函数值.(2)实例说明 求解偏微分2111222221220.024()0.17()u u F u u t xu u F u u tx ⎧∂∂=--⎪⎪∂∂⎨∂∂⎪=+-⎪∂∂⎩ 其中， 5.7311.46()xx F x e e -=-且满足初始条件12(,0)1,(,0)0u x u x ==及边界条件1(0,)0,u t x ∂=∂221(0,)0,(1,)1,(1,)0uu t u t t x∂===∂ 解：(1)对照给出的偏微分方程和pdepe 函数求解的标准形式，原方程改写为111221220.024()1.*()10.17u u F u u x u F u u u t x x ∂⎡⎤⎢⎥--⎡⎤⎡⎤⎡⎤∂∂∂=+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥-∂∂∂⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎢⎥∂⎣⎦可见1121220.024()10,,,()10.17u F u u x m c f s F u u u x ∂⎡⎤⎢⎥--⎡⎤⎡⎤∂====⎢⎥⎢⎥⎢⎥-∂⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎢⎥∂⎣⎦%目标PDE 函数function [c,f,s]=pdefun(x,t,u,du) c=[1;1];f=[0.024*du(1);0.17*du(2)];temp=u(1)-u(2);s=[-1;1].*(exp(5.73*temp)-exp(-11.46*temp)) end(2)边界条件改写为：下边界2010.*00f u ⎡⎤⎡⎤⎡⎤+=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦上边界1110.*000u f -⎡⎤⎡⎤⎡⎤+=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦%边界条件函数function [pa,qa,pb,qb]=pdebc(xa,ua,xb,ub,t) pa=[0;ua(2)]; qa=[1;0]; pb=[ub(1)-1;0]; qb=[0;1]; end(3)初值条件改写为：1210u u ⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦%初值条件函数 function u0=pdeic(x) u0=[1;0]; end(4)编写主调函数 clcx=0:0.05:1; t=0:0.05:2; m=0;sol=pdepe(m,@pdefun,@pdeic,@pdebc,x,t); subplot(2,1,1) surf(x,t,sol(:,:,1)) subplot(2,1,2) surf(x,t,sol(:,:,2))练习与思考： This example illustrates the straightforward formulation, computation, and plotting of the solution of a single PDE.2()u u t x xπ∂∂∂=∂∂∂ This equation holds on an interval 01x ≤≤ for times 0t ≥. The PDE satisfies the initial condition (,0)sin u x x π= and boundary conditions(0,)0;(1,)0t u u t e t xπ-∂=+=∂ 2.PDEtool 求解偏微分方程 (1)PDEtool （GUI ）求解偏微分方程的一般步骤在Matlab 命令窗口输入pdetool ，回车，PDE 工具箱的图形用户界面(GUI)系统就启动了.从定义一个偏微分方程问题到完成解偏微分方程的定解，整个过程大致可以分为六个阶段Step 1 “Draw 模式”绘制平面有界区域Ω，通过公式把Matlab 系统提供的实体模型：矩形、圆、椭圆和多边形，组合起来，生成需要的平面区域.Step 2 “Boundary 模式”定义边界，声明不同边界段的边界条件.Step 3 “PDE 模式”定义偏微分方程，确定方程类型和方程系数c,a,f,d ，根据具体情况，还可以在不同子区域声明不同系数.Step 4 “Mesh 模式”网格化区域Ω，可以控制自动生成网格的参数，对生成的网格进行多次细化，使网格分割更细更合理.Step 5 “Solve 模式”解偏微分方程，对于椭圆型方程可以激活并控制非线性自适应解题器来处理非线性方程；对于抛物线型方程和双曲型方程，设置初始边界条件后可以求出给定时刻t 的解；对于特征值问题，可以求出给定区间上的特征值.求解完成后，可以返回到Step 4，对网格进一步细化，进行再次求解.Step 6 “View 模式”计算结果的可视化，可以通过设置系统提供的对话框，显示所求的解的表面图、网格图、等高线图和箭头梯形图.对于抛物线型和双曲线型问题的解还可以进行动画演示.(2)实例说明用法求解一个正方形区域上的特征值问题：12|0u u u u λ∂Ω⎧-∆-=⎪⎨⎪=⎩ 正方形区域为：11,1 1.x x -≤≤-≤≤(1)使用PDE工具箱打开GUI求解方程(2)进入Draw模式，绘制一个矩形，然后双击矩形，在弹出的对话框中设置Left=-1,Bottom=-1,Width=2,Height=2,确认并关闭对话框(3)进入Boundary模式，边界条件采用Dirichlet条件的默认值(4)进入PDE模式，单击工具栏PDE按钮，在弹出的对话框中方程类型选择Eigenmodes,参数设置c=1,a=-1/2,d=1,确认后关闭对话框(5)单击工具栏的 按钮，对正方形区域进行初始网格剖分，然后再对网格进一步细化剖分一次(6)点开solve菜单，单击Parameters选项，在弹出的对话框中设置特征值区域为[-20,20](7)单击Plot菜单的Parameters项，在弹出的对话框中选中Color、Height(3-D plot)和show mesh项，然后单击Done确认(8)单击工具栏的“=”按钮，开始求解。
matlab 偏微分方程
MATLAB是一个强大的数值计算环境，可以用来解决各种各样的数学问题，包括偏微分方程。
下面是一个简单的例子，展示如何在MATLAB中解决一维的偏微分方程。
假设我们要解决以下一维的热传导方程：
∂u∂t=∂2u∂x2
在给定的初始条件和边界条件下：
u(x,0)=sin(πx)u(0,t)=0, u(1,t)=0
我们可以使用MATLAB中的pdepe函数来求解这个问题。
以下是一个简单的MATLAB代码示例：
```matlab
定义参数
T = 1; 最终时间
h = 0.01; 空间步长
t = 0:T/h:T; 时间向量
x = 0:h:1; 空间向量
n = length(x); 空间点的数量
m = length(t); 时间点的数量
初始化矩阵存储解
U = zeros(m, n);
U(:,1) = sin(pi*x); 初始条件
定义偏微分方程
pdepe('u_tt', U, t, x, 'heat', 'periodic');
使用pdepe求解偏微分方程
[U, ~] = pdepe(U, t, x);
绘制结果
surf(x, t, U);
```
这个代码示例使用了MATLAB的pdepe函数，这是一个用于求解偏微分方程的函数。
在上面的代码中，我们首先定义了参数，然后初始化了存储解的矩阵。
然后，我们定义了偏微分方程，并使用pdepe 函数求解它。
最后，我们使用surf函数绘制了结果。
matlab解偏微分方程
matlab解偏微分方程Matlab是一种非常强大的数学计算工具，它可以用于解决各种数学问题。
在本文中，我们将学习如何使用Matlab解偏微分方程。
偏微分方程是一类包含未知函数的偏导数的方程。
通常，解偏微分方程是困难的，需要使用复杂的数学方法。
然而，Matlab可以大大简化这个过程。
在Matlab中，我们可以使用pdepe函数来解偏微分方程。
pdepe函数采用一个偏微分方程的系统，并返回一个包含解的向量的矩阵。
下面是一个解二维扩散方程的示例程序：%定义二维扩散方程 function [c,f,s] = diffusionpde(x,t,u,DuDx)c = 1; %系数f = DuDx; %带有时间和空间导数的项s = 0; %不带导数的项end%定义边界条件（例）function [pl,ql,pr,qr] =diffusionbc(xl,ul,xr,ur,t)pl = 0; ql = 1; %左边界（u=0）pr = 0; qr = 1; %右边界（u=0）end%定义初始条件（例）function u0 = diffusionic(x)u0 = sin(pi*x); %sin(pi*x)是初始条件方程end%主程序x = linspace(0,1,50); %空间网格t = linspace(0,1,10); %时间网格sol =pdepe(0,@diffusionpde,@diffusionic,@diffusionbc,x,t );u = sol(:,:,1); %提取第一个解%绘制解surfc(x,t,u)xlabel('位置')ylabel('时间')title('二维扩散方程的解')从上述程序中，我们可以看到pdepe的使用方法。
在主程序中，我们选择了空间和时间网格，然后定义了偏微分方程、初始条件和边界条件的函数。
最后，我们调用pdepe函数，并将解存储在变量sol中。
MATLAB中的偏微分方程数值解法
MATLAB中的偏微分方程数值解法偏微分方程（Partial Differential Equations，PDEs）是数学中的重要概念，广泛应用于物理学、工程学、经济学等领域。
解决偏微分方程的精确解往往非常困难，因此数值方法成为求解这类问题的有效途径。
而在MATLAB中，有丰富的数值解法可供选择。
本文将介绍MATLAB中几种常见的偏微分方程数值解法，并通过具体案例加深对其应用的理解。
一、有限差分法（Finite Difference Method）有限差分法是最为经典和常用的偏微分方程数值解法之一。
它将偏微分方程的导数转化为差分方程，通过离散化空间和时间上的变量，将连续问题转化为离散问题。
在MATLAB中，使用有限差分法可以比较容易地实现对偏微分方程的数值求解。
例如，考虑一维热传导方程（Heat Equation）：∂u/∂t = k * ∂²u/∂x²其中，u为温度分布随时间和空间的变化，k为热传导系数。
假设初始条件为一段长度为L的棒子上的温度分布，边界条件可以是固定温度、热交换等。
有限差分法可以将空间离散化为N个节点，时间离散化为M个时刻。
我们可以使用中心差分近似来计算二阶空间导数，从而得到以下差分方程：u(i,j+1) = u(i,j) + Δt * (k * (u(i+1,j) - 2 * u(i,j) + u(i-1,j))/Δx²)其中，i表示空间节点，j表示时间步。
Δt和Δx分别为时间和空间步长。
通过逐步迭代更新节点的温度值，我们可以得到整个时间范围内的温度分布。
而MATLAB提供的矩阵计算功能，可以大大简化有限差分法的实现过程。
二、有限元法（Finite Element Method）有限元法是另一种常用的偏微分方程数值解法，特点是适用于复杂的几何形状和边界条件。
它将求解区域离散化为多个小单元，通过构建并求解代数方程组来逼近连续问题。
在MATLAB中，我们可以使用Partial Differential Equation Toolbox提供的函数进行有限元法求解。
matlab中求解偏微分方程
文章标题：深入探讨 Matlab 中求解偏微分方程的方法和应用一、引言在现代科学和工程中，偏微分方程是一种重要的数学工具，用于描述各种自然现象和物理过程，如热传导、流体力学、电磁场等。
Matlab 是一个用于科学计算和工程应用的强大工具，提供了丰富的数值计算和数据可视化功能，其中包括求解偏微分方程的工具箱，本文将深入探讨在Matlab中求解偏微分方程的方法和应用。
二、基本概念偏微分方程（Partial Differential Equation, PDE）是关于多个变量的函数及其偏导数的方程。
在物理学和工程学中，PDE广泛应用于描述空间变量和时间变量之间的关系。
在Matlab中，求解PDE通常涉及到确定PDE类型、边界条件、初始条件和求解方法等步骤。
三、求解方法1. 有限差分法（Finite Difference Method）有限差分法是求解PDE的常用数值方法之一，它将PDE转化为差分方程组，并通过迭代求解得到数值解。
在Matlab中，可以使用pdepe 函数来求解具有一维、二维或三维空间变量的PDE，该函数可以直接处理边界条件和初始条件。
2. 有限元法（Finite Element Method）有限元法是另一种常用的数值方法，它将求解区域离散化为有限数量的单元，并通过单元之间的插值来逼近PDE的解。
Matlab提供了pdenonlin函数来求解非线性PDE，该函数支持各种复杂的几何形状和非线性材料参数。
3. 特征线法（Method of Characteristics）特征线法适用于一维双曲型PDE的求解，该方法基于特征线方程的性质来构造数值解。
在Matlab中，可以使用pdegplot函数来展示特征线，并通过构造特征线网格来求解PDE。
四、实际应用1. 热传导方程的求解假设我们需要求解一个长条形的材料中的热传导方程，可以通过在Matlab中定义边界条件和初始条件，然后使用pdepe函数来求解得到温度分布和热流线。
matlab解偏微分方程
matlab解偏微分方程偏微分方程（PDE）是描述物理系统和工程问题中的变化和变形的基本方程之一。
它们是数学方程，可以用来解决流体力学、热传递、电磁场和结构分析等领域的问题。
在MATLAB中，可以使用PDE工具箱来求解偏微分方程。
PDE工具箱是MATLAB中的一个工具箱，用于求解偏微分方程。
它提供了多种方法来求解PDE，如有限元方法、有限差分方法、谱方法等。
PDE工具箱还提供了可视化工具，可以帮助用户更好地理解方程的解。
以下是PDE工具箱的使用步骤：1. 创建偏微分方程使用PDE工具箱，可以通过选择预定义的模型或手动创建方程来定义偏微分方程。
预定义的模型包括泊松方程、热传导方程、斯托克斯方程等。
手动创建方程要求用户提供方程的系数和初始条件。
2. 定义边界条件通过定义边界条件，可以限制方程的解在特定区域内。
通常，边界条件与实际问题的物理特征有关。
例如，泊松方程的边界条件可以是Dirichlet、Neumann或Robin条件。
3. 离散化空间和时间PDE工具箱使用离散化方法来计算偏微分方程的解。
在离散化过程中，空间和时间被分割成小的网格。
离散化方法的选择取决于所使用的数值方法。
4. 求解方程完成离散化后，PDE工具箱可以求解偏微分方程。
求解器的选取依赖于方程的类型和分析目的。
例如，稳态问题可以使用静态求解器，而动态问题可以使用显式和隐式求解器。
5. 可视化解PDE工具箱提供了多种工具来可视化解。
用户可以使用等值线、箭头和图形等来显示解的不同方面。
此外，PDE工具箱还提供了交互式工具，使用户可以更改参数以观察不同的解。
总之，MATLAB的PDE工具箱提供了一个方便的方式来解决偏微分方程。
通过使用这个工具箱，用户可以创建、定义、求解和可视化偏微分方程。
matlab偏微分方程组求解
matlab偏微分方程组求解（实用版）目录1.MATLAB 求解偏微分方程组的概述2.偏微分方程组的格式和类型3.MATLAB 求解偏微分方程组的方法4.常用的 MATLAB 求解偏微分方程组的工具箱5.MATLAB 求解偏微分方程组的步骤和示例正文一、MATLAB 求解偏微分方程组的概述偏微分方程组在数学、物理、工程等领域有着广泛的应用，而 MATLAB 作为一款强大的数学软件，提供了丰富的函数和工具箱来求解偏微分方程组。
本文将介绍如何使用 MATLAB 求解偏微分方程组。
二、偏微分方程组的格式和类型偏微分方程组的格式一般为：u/x = f(x, y, u)u/y = g(x, y, u)u/z = h(x, y, u)其中，u 是未知函数，x、y、z 是自变量，f、g、h 是已知函数。
偏微分方程组的类型可以根据未知函数的个数、方程的阶数、方程的形式等进行分类。
常见的类型有一阶方程组、二阶方程组、高阶方程组、线性方程组、非线性方程组等。
三、MATLAB 求解偏微分方程组的方法MATLAB 求解偏微分方程组的主要方法有以下几种：1.符号计算法：使用 MATLAB 内置的符号计算函数，如 sym、syms、subs 等，可以方便地表示和操作偏微分方程组。
2.数值计算法：使用 MATLAB 的数值计算函数，如 ode45、ode23、ode113 等，可以求解数值形式的偏微分方程组。
3.图形可视化法：使用 MATLAB 的图形函数，如 plot、contour 等，可以直观地显示偏微分方程组的解。
四、常用的 MATLAB 求解偏微分方程组的工具箱MATLAB 中有多个工具箱可以用于求解偏微分方程组，常用的有：1.ODE Toolbox：包含求解常微分方程（ODE）和偏微分方程（PDE）的函数。
2.PDE Toolbox：专门用于求解偏微分方程的工具箱，提供了丰富的PDE 求解器和可视化工具。
3.Finite Element Toolbox：用于求解有限元方法的偏微分方程组。
matlab偏微分方程组求解
MATLAB学习（序列1）偏微分方程组的求解ode23 解非刚性微分方程，低精度，使用Runge-Kutta法的二三阶算法。
ode45 解非刚性微分方程，中等精度，使用Runge-Kutta法的四五阶算法。
ode113 解非刚性微分方程，变精度变阶次Adams-Bashforth-Moulton PECE算法。
ode23t 解中等刚性微分方程，使用自由内插法的梯形法则。
ode15s 解刚性微分方程，使用可变阶次的数值微分（NDFs）算法。
ode23s 解刚性微分方程，低阶方法，使用修正的Rosenbrock公式。
ode23tb 解刚性微分方程，低阶方法，使用TR-BDF2方法，即Runger-Kutta公式的第一级采用梯形法则，第二级采用Gear法。
[t，YY]=solver('F',tspan,Yo解算ODE初值问题的最简调用格式。
solver指上面的指令。
tspan=[0,30]; ％时域t的范围y0=[1;0]; ％y（1）y(2的初始值[tt,yy]=ode45(@DyDt,tspan,y0;plot(tt,yy(:,1,title('x(t'function ydot=DyDt(t,yydot=[y(2; 2*(1-y(1^2*y(2-y(1]刚性方程：刚性是指其Jacobian矩阵的特征值相差十分悬殊。
在解的性态上表现为，其中一些解变化缓慢，另一些变化快，且相差较悬殊，这类方程常常称为刚性方程，又称为Stiff方程。
刚性方程和非刚性方程对解法中步长选择的要求不同。
刚性方程一般不适合由ode45这类函数求解，而应该采用ode15s等。
如果不能分辨是否是刚性方程，先试用ode45，再用ode15s。
[t，YY，Te，Ye,Ie] = solver('F',tspan,Yo,options,p1,p2,…解算ODE初值问题的最完整调用格式。
为了能够解出方程，要用指令odeset确定求解的条件和要求。
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一、Maple V 系统Maple V是由Waterloo大学开发的数学系统软件，它不但具有精确的数值处理功能，而且具有无以伦比的符号计算功能。
Maple V的符号计算能力还是MathCAD和MATLAB等软件的符号处理的核心。
Maple提供了2000余种数学函数，涉及范围包括：普通数学、高等数学、线性代数、数论、离散数学、图形学。
它还提供了一套内置的编程语言，用户可以开发自己的应用程序，而且Maple自身的2000多种函数，基本上是用此语言开发的。
Maple采用字符行输入方式，输入时需要按照规定的格式输入，虽然与一般常见的数学格式不同，但灵活方便，也很容易理解。
输出则可以选择字符方式和图形方式，产生的图形结果可以很方便地剪贴到Windows应用程序内。
二、MATLAB 系统MATLAB原是矩阵实验室（Matrix Laboratory）在70年代用来提供Linpack和Eispac k软件包的接口程序，采用C语言编写。
从80年代出现3.0的DOS版本，逐渐成为科技计算、视图交互系统和程序语言。
MATLAB可以运行在十几个操作平台上，比较常见的有基于W indows 9X/NT、OS/2、Macintosh、Sun、Unix、Linux等平台的系统。
MATLAB程序主要由主程序和各种工具包组成，其中主程序包含数百个内部核心函数，工具包则包括复杂系统仿真、信号处理工具包、系统识别工具包、优化工具包、神经网络工具包、控制系统工具包、μ分析和综合工具包、样条工具包、符号数学工具包、图像处理工具包、统计工具包等。
而且5.x版本还包含一套几十个的PDF文件，从MATLAB的使用入门到其他专题应用均有详细的介绍。
MATLAB是数值计算的先锋，它以矩阵作为基本数据单位，在应用线性代数、数理统计、自动控制、数字信号处理、动态系统仿真方面已经成为首选工具，同时也是科研工作人员和大学生、研究生进行科学研究的得力工具。
MATLAB在输入方面也很方便，可以使用内部的E ditor或者其他任何字符处理器，同时它还可以与Word6.0/7.0结合在一起，在Word的页面里直接调用MATLAB的大部分功能，使Word具有特殊的计算能力。
三、MathCAD 系统MathCAD是美国Mathsoft公司推出的一个交互式的数学系统软件。
从早期的DOS下的1. 0和Windows下的4.0版本，到今日的8.0版本，功能也从简单的数值计算，直至引用Map le强大的符号计算能力，使得它发生了一个质的飞跃。
MathCAD是集文本编辑、数学计算、程序编辑和仿真于一体的软件。
MathCAD7.0 Profe ssional（专业版）运行在Win9X/NT下，它的主要特点是输入格式与人们习惯的数学书写格式很近似，采用WYSWYG（所见所得）界面，特别适合一般无须进行复杂编程或要求比较特殊的计算。
MathCAD 7.0 Professional 还带有一个程序编辑器，对于一般比较短小，或者要求计算速度比较低时，采用它也是可以的。
这个程序编辑器的优点是语法特别简单。
MathCAD可以看作是一个功能强大的计算器，没有很复杂的规则；同时它也可以和Wor d、Lotus、WPS2000等字处理软件很好地配合使用，可以把它当作一个出色的全屏幕数学公式编辑器。
四、Mathematica 系统Mathematica是由美国物理学家Stephen Wolfram领导的Wolfram Research开发的数学系统软件。
它拥有强大的数值计算和符号计算能力，在这一方面与Maple类似，但它的符号计算不是基于Maple上的，而是自己开发的。
Mathematica的基本系统主要是用C语言开发的，因而可以比较容易地移植到各种平台上，Mathematica是一个交互式的计算系统，计算是在用户和Mathematica互相交换、传递信息数据的过程中完成的。
Mathematica系统所接受的命令都被称作表达式，系统在接受了一个表达式之后就对它进行处理，然后再把计算结果返回。
Mathematica对于输入形式有比较严格的规定，用户必须按照系统规定的数学格式输入，系统才能正确地处理，不过由于3. 0版本引入输入面板，并且可以修改、重组输入面板，因此以前版本输入指令时需要不断切换大小写字符的繁琐方式得到很好的改善。
3.0版本可以用各种格式保存文件和剪贴内容，包括RTF、HTML、BMP等格式。
五、四种软件的比较选用何种数学软件?如果仅仅是要求一般的计算或者是普通用户日常使用，首选的是Ma thCAD，它在高等数学方面所具有的能力，足够一般客户的要求，而且它的输入界面也特别友好。
如果要求计算精度、符号计算和编程方面的话，最好同时使用Maple和Mathematica，它们在符号处理方面各具特色，有些Maple不能处理的，Mathematica却能处理，诸如某些积分、求极限等方面，这些都是比较特殊的。
如果要求进行矩阵方面或图形方面的处理，则选择MATLAB，它的矩阵计算和图形处理方面则是它的强项，同时利用MATLAB的NoteBook 功能，结合Word6.0/7.0的编辑功能，可以很方便地处理科技文章。
1.2 满足Neumann边界条件的Helmholtz方程源程序：function [u,x,y] = Helmholtz_Newton(f,g,dbx,bx0,bxf,by0,byf,D,Mx,My,M inErr,MaxIter)%解方程： u_xx + u_yy + g(x,y)u = f(x,y)% 自变量取值区域 D = [x0,xf,y0,yf] = {(x,y) |x0 <= x <= xf, y0 <= y < = yf}% 边界条件% u(x0,y) = bx0(y), u(xf,y) = bxf(y)% u(x,y0) = by0(x), u(x,yf) = byf(x)% x轴均分为Mx段% y轴均分为My段% tol 误差因子% MaxIter: 最大迭代次数x0 = D(1); xf = D(2); y0 = D(3); yf = D(4);dx = (xf - x0)/Mx; x = x0 + [0:Mx]*dx;%构造内点数组dy = (yf - y0)/My; y = y0 + [0:My]'*dy;Mx1 = Mx + 1; My1 = My + 1;for i = 1:Mxfor j = 1:MyF(i,j) = f(x(i),y(j)); G(i,j) = g(x(i),y(j));endenddx2 = dx*dx; dy2 = dy*dy; dxy2 = 2*(dx2 + dy2);rx = dx2/dxy2; ry = dy2/dxy2; rxy = rx*dy2;%边界条件for m = 1:My1u([1 Mx1],m)=[bx0(y(m)) bxf(y(m))]; %左右边界endfor n = 1:Mx1u(n,[1 My1]) = [by0(x(n)); byf(x(n))];%上下边界end%边界平均值作迭代初值sum_of_bv = sum(sum([u([1 Mx1],2:My) u(2:Mx,[1 My1])']));u(2:Mx,2:My) = sum_of_bv/(2*(Mx + My - 2));for itr = 1:MaxIterfor i = 2:(Mx1-1)u(i,1)=2*ry*u(i,2)+rx*(u(i+1,1)+u(i-1,1))+rxy*(G(i,1)*u(i,1)-F(i,1)-2*dbx(x(i),y(1))/dx);endfor j=2:(My1-1)u(1,j)=ry*(u(1,j+1)+u(1,j-1))+2*rx*u(2,j)+rxy*(G(1,j)*u(1,j)-F(1,j)-2*dbx(x(1),y(j))/dy);endfor i= 2:Mxfor j = 2:Myu(i,j) = ry*(u(i+1,j)+u(i-1,j)) + rx*(u(i,j-1)+u(i,j+1))+ rxy*(G(i,j)*u(i,j)- F(i,j)); %迭代公式endendif itr > 1 & max(max(abs(u - u0))) < MinErr%循环结束条件break;endu0 = u;endu=u';例1.1迭代法求解满足Neumann型边界条件的Helmholtz方程应用实例。
求以下满足Neumann型边界条件的的数值解：自变量取值：边界:解：可知，在MATLAB中编写脚本文件：f = inline('x^2+y^2','x','y');g = inline('sqrt(x)','x','y');x0 = 0; xf = 4; y0 = 0; yf = 4;%自变量取值范围Mx = 50;My = 30;%等分段数dbx=inline('x^2+y^2','x','y');bx0 = inline('y^2','y'); %边界条件bxf = inline('4^2*cos(y)','y');by0 = inline('x^2','x');byf = inline('4^2*cos(x)','x');D = [x0 xf y0 yf]; MaxIter = 100; MinErr = 1e-4;[U,x,y] = Helmholtz_Newton(f,g,dbx,bx0,bxf,by0,byf,D,Mx,My,MinErr,Max Iter);clf, mesh(U)xlabel('x')ylabel('y')zlabel('U')2 抛物形偏微分方程2.1显式前向欧拉法源程序：function [u,x,t] = EF_Euler(A,xf,T,it0,bx0,bxf,M,N)%解方程 A u_xx = u_t ， 0 <= x <= xf, 0 <= t <= T%初值: u(x,0) = it0(x)% 边界条件: u(0,t) = bx0(t), u(xf,t) = bxf(t)% M ： x 轴的等分段数% N ： t 轴的等分段数dx = xf/M; x = [0:M]*dx;dt = T/N; t = [0:N]'*dt;for i= 1:M + 1u(i,1) = it0(x(i));endfor j = 1:N + 1u([1 M + 1],j) = [bx0(t(j)); bxf(t(j))];endr = A*dt/dx/dx, r1 = 1 - 2*r;if(r>0.5)disp('r>0.5,unstability');endfor j = 1:Nfor i = 2:Mu(i,j+1) = r*(u(i + 1,j) + u(i-1,j)) + r1*u(i,j); %(9.2.3) endendu=u';例2.1显式前向欧拉法求解一维抛物性方程应用实例。