偏微分方程的matlab解法共26页
(完整版)偏微分方程的MATLAB解法
引言偏微分方程定解问题有着广泛的应用背景。
人们用偏微分方程来描述、解释或者预见各种自然现象，并用于科学和工程技术的各个领域fll。
然而，对于广大应用工作者来说，从偏微分方程模型出发，使用有限元法或有限差分法求解都要耗费很大的工作量，才能得到数值解。
现在，MATLAB PDEToolbox已实现对于空间二维问题高速、准确的求解过程。
偏微分方程如果一个微分方程中出现的未知函数只含一个自变量，这个方程叫做常微分方程，也简称微分方程；如果一个微分方程中出现多元函数的偏导数，或者说如果未知函数和几个变量有关，而且方程中出现未知函数对几个变量的导数，那么这种微分方程就是偏微分方程。
常用的方法有变分法和有限差分法。
变分法是把定解问题转化成变分问题，再求变分问题的近似解；有限差分法是把定解问题转化成代数方程，然后用计算机进行计算；还有一种更有意义的模拟法，它用另一个物理的问题实验研究来代替所研究某个物理问题的定解。
虽然物理现象本质不同，但是抽象地表示在数学上是同一个定解问题，如研究某个不规则形状的物体里的稳定温度分布问题，由于求解比较困难，可作相应的静电场或稳恒电流场实验研究，测定场中各处的电势，从而也解决了所研究的稳定温度场中的温度分布问题。
随着物理科学所研究的现象在广度和深度两方面的扩展，偏微分方程的应用范围更广泛。
从数学自身的角度看，偏微分方程的求解促使数学在函数论、变分法、级数展开、常微分方程、代数、微分几何等各方面进行发展。
从这个角度说，偏微分方程变成了数学的中心。
一、MATLAB方法简介及应用1.1 MATLAB简介MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。
1.2 Matlab主要功能数值分析数值和符号计算工程与科学绘图控制系统的设计与仿真数字图像处理数字信号处理通讯系统设计与仿真财务与金融工程1.3 优势特点1) 高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来；2) 具有完备的图形处理功能，实现计算结果和编程的可视化；3) 友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握；4) 功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等) ，为用户提供了大量方便实用的处理工具。
最新偏微分方程的matlab解法
求解双曲型方程的例子
例24.2.1 用 MATLAB 求解下面波动方程定解问题并动态显示解的分布
2u (2u t 2 x2
2u ) 0 y 2
u
|x
1
u
|x1
0,
u y
y 1
u y
y1 0
π
π
u(x,
y, 0)
atan[ sin(
2
x)], ut
( x,
y,
0)
2
cos(πx)
保持在100 °C，板的右边热量从板向环境空气定常流动，
t t 其他边及内孔边界保持绝缘。初始
°C ，于是概括为如下定解问题;
是板的温度为0 0
d u u0 , t
u 1 0 0 ,在 左 边 界 上
u 1， 在 右 边 界 上 n u = 0， 其 他 边 界 上 n
u t to 0
区域的边界顶点坐标为(-0.5,-0.8), (0.5,-0.8), (-0.5,0.8), (0.5,0.8)。 内边界顶点坐标(-0.05,-0.4), (-0.05,0.4) ,(0.05,-0.4), (0.05,0.4)。
第七步：单击Plot菜单中Parameter选项，打开Plot Selection对话框，选中Color,Height(3D plot)和 Show mesh三项.再单击Polt按钮，显示三维图形解， 如图22.5所示.
第八步：若要画等值线图和矢量场图，单击plot菜单 中parameter 选项，在plot selection对话框中选中 contour 和arrow两选项。然后单击plot按钮，可显示 解的等值线图和矢量场图，如图2.6所示。
网格划分，细化
(完整版)偏微分方程的MATLAB解法
引言偏微分方程定解问题有着广泛的应用背景。
人们用偏微分方程来描述、解释或者预见各种自然现象，并用于科学和工程技术的各个领域fll。
然而，对于广大应用工作者来说，从偏微分方程模型出发，使用有限元法或有限差分法求解都要耗费很大的工作量，才能得到数值解。
现在，MATLAB PDEToolbox已实现对于空间二维问题高速、准确的求解过程。
偏微分方程如果一个微分方程中出现的未知函数只含一个自变量，这个方程叫做常微分方程，也简称微分方程；如果一个微分方程中出现多元函数的偏导数，或者说如果未知函数和几个变量有关，而且方程中出现未知函数对几个变量的导数，那么这种微分方程就是偏微分方程。
常用的方法有变分法和有限差分法。
变分法是把定解问题转化成变分问题，再求变分问题的近似解；有限差分法是把定解问题转化成代数方程，然后用计算机进行计算；还有一种更有意义的模拟法，它用另一个物理的问题实验研究来代替所研究某个物理问题的定解。
虽然物理现象本质不同，但是抽象地表示在数学上是同一个定解问题，如研究某个不规则形状的物体里的稳定温度分布问题，由于求解比较困难，可作相应的静电场或稳恒电流场实验研究，测定场中各处的电势，从而也解决了所研究的稳定温度场中的温度分布问题。
随着物理科学所研究的现象在广度和深度两方面的扩展，偏微分方程的应用范围更广泛。
从数学自身的角度看，偏微分方程的求解促使数学在函数论、变分法、级数展开、常微分方程、代数、微分几何等各方面进行发展。
从这个角度说，偏微分方程变成了数学的中心。
一、MATLAB方法简介及应用1.1 MATLAB简介MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。
1.2 Matlab主要功能数值分析数值和符号计算工程与科学绘图控制系统的设计与仿真数字图像处理数字信号处理通讯系统设计与仿真财务与金融工程1.3 优势特点1) 高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来；2) 具有完备的图形处理功能，实现计算结果和编程的可视化；3) 友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握；4) 功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等) ，为用户提供了大量方便实用的处理工具。
matlab求解偏微分方程组
matlab求解偏微分方程组偏微分方程组是数学中的重要问题之一，它描述了自然界中许多现象的变化规律。
而matlab作为一种强大的数值计算软件，可以用来求解偏微分方程组，为科学研究和工程应用提供了便利。
在matlab中，求解偏微分方程组可以使用pdepe函数。
pdepe函数是一个用于求解偏微分方程组的通用求解器，可以处理各种类型的偏微分方程组。
它的基本用法是定义一个偏微分方程组的初始条件、边界条件和方程形式，然后调用pdepe函数进行求解。
首先，我们需要定义偏微分方程组的初始条件和边界条件。
初始条件是指在初始时刻各个变量的取值，而边界条件是指在空间上的边界上各个变量的取值。
这些条件可以是数值或函数形式的。
接下来，我们需要定义偏微分方程组的方程形式。
方程形式是指偏微分方程组的具体形式，包括方程的类型、系数和非线性项等。
在matlab中，可以使用函数句柄的形式来定义方程形式。
然后，我们可以调用pdepe函数进行求解。
pdepe函数的基本语法是：sol = pdepe(m,@pdex1,@pdex2,@pdex3,x,t)其中，m是一个表示方程个数的整数，@pdex1、@pdex2和@pdex3分别是定义初始条件、边界条件和方程形式的函数句柄，x和t分别是表示空间和时间的向量。
最后，我们可以通过sol来获取求解结果。
sol是一个包含求解结果的三维数组，其中第一维表示时间，第二维表示空间，第三维表示方程个数。
我们可以通过索引来获取特定时间和空间点的解。
总之，matlab提供了强大的工具来求解偏微分方程组。
通过定义初始条件、边界条件和方程形式，然后调用pdepe函数进行求解，我们可以得到偏微分方程组的数值解。
这为科学研究和工程应用提供了便利，使得我们能够更好地理解和预测自然界中的变化规律。
偏微分方程的MATLAB解法
第六步：选择 Mesh 菜单中 Refine Mesh 命令，对网格加 密。
第七步：选择 Solve 菜单中 Solve PDE 命令，解偏微分方 程并显示图形解。
第八步：单击 Plot 菜单中 Parameters…选项，打开 Plot Selection 对话框，选中 Color，Height（3-D Plot）和 Show mesh 三项．然后单击 Plot 按钮，显示三维图形解。
图 1 结果图
2.2 偏微分方程的 pdetool 解法 2.2.1 pdetool 介绍
pdetool 提供的用户图形界面（GUI）解法的使用步骤如下： （1）在 Matlab 命令窗 口运 行 pdetool，出 现 PDE Toolbox 界面。 （2）用鼠标点一下工具栏上的“PDE”按钮，在弹出的对话 框中定义偏微分方程。 （3）用鼠标点一下工具栏上的区域按钮，在下面的坐标系 中画出偏微分方程的大致定解区域。 （4）双击（3）中画出的大致区域，在弹出的对话框中精确 定位定解区域。 （5）用鼠标点一下工具栏上的边界按钮“坠Ω”，画出区域
可以改写为
22 2 2 2 2 1 ·* 坠
1 坠t
u1 u2
=坠 坠t
2
220.024
2
坠u1 坠x
2
2
2
2220.170
2
坠u2 坠x
2
2
2 2
+2
2
-F（u1-u2）
2 2
F（u1-u2）
22
2
（2）
22 2 2 1
可见 m=0，且 c=
2
220.024
matlab解偏微分方程
ui,j +1 − ui,j = Hui,j +1 ∆t Hui,j = a2 ui+1,j − 2ui,j + ui−1,j (∆x)2
ui,j +1 − ui,j = Hui,j ∆t 将显式与隐式相加,得平均公式 ui,j +1 − ui,j 1 1 = Hui,j + Hui,j +1 ∆t 2 2
得ui,0 = ui,2 − 2ψi
1 ui,2 = [c(ui+1,1 + ui−1,1) + 2(1 − c)ui,1 + 2ψi t] 2
3.3
例题 两端固定的弦振动
两端固定的弦, 初速为零，初位移是 h x, (0 ≤ x ≤ 2/3) 2 / 3 u(x, 0) = 1−x , (2/3 < x ≤ 1) h 1 − 2/3
作图所用程序如下,其中取c = 0.05, l = 1, h = 0.05.这里使用的方程 与初始条件表示方法与上一节相同. N=4000; c=0.05; x=linspace(0,1,420)’; u1(1:420)=0; u2(1:420)=0; u3(1:420)=0; u1(2:280)=0.05/279*(1:279)’; u1(281:419)=0.05/(419-281)*(419-(281:419)’); u2(2:419)=u1(2:419)+c/2*(u1(3:420)-2*u1(2:419)+u1(1:418)); h=plot(x,u1,’linewidth’,3); axis([0,1,-0.05,0.05]); set(h,’EraseMode’,’xor’,’MarkerSize’,18) for k=2:N set(h,’XData’,x,’YData’,u2) ; drawnow; u3(2:419)=2*u2(2:419)-u1(2:419)+c*(u2(3:420)... -2*u2(2:419)+u2(1:418)); u1=u2; u2=u3; end
偏微分方程(PDEs)的MATLAB数值解法
偏微分方程的MATLAB求解精讲©MA TLAB求解微分/偏微分方程，一直是一个头大的问题，两个字，“难过”，由于MA TLAB对LaTeX的支持有限，所有方程必须化成MA TLAB可接受的标准形式，不支持像其他三个数学软件那样直接傻瓜式输入，这个真把人给累坏了！不抱怨了，还是言归正传，回归我们今天的主体吧！MA TLAB提供了两种方法解决PDE问题，一是pdepe()函数，它可以求解一般的PDEs，据用较大的通用性，但只支持命令行形式调用。
二是PDE工具箱，可以求解特殊PDE问题，PDEtool有较大的局限性，比如只能求解二阶PDE问题，并且不能解决偏微分方程组，但是它提供了GUI界面，从繁杂的编程中解脱出来了，同时还可以通过File->Save As直接生成M代码一、一般偏微分方程组(PDEs)的MA TLAB求解 (3)1、pdepe函数说明 (3)2、实例讲解 (4)二、PDEtool求解特殊PDE问题 (6)1、典型偏微分方程的描述 (6)（1）椭圆型 (6)（2）抛物线型 (6)（3）双曲线型 (6)（4）特征值型 (7)2、偏微分方程边界条件的描述 (8)（1）Dirichlet条件 (8)（2）Neumann条件 (8)3、求解实例 (9)一、一般偏微分方程组(PDEs)的MATLAB 求解1、pdepe 函数说明MA TLAB 语言提供了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)【输入参数】@pdefun ：是PDE 的问题描述函数，它必须换成下面的标准形式(,,)[(,,,)](,,,)()m m u u u uc x t x x f x t u s x t u x t x x x−∂∂∂∂∂=+∂∂∂∂∂式1 这样，PDE 就可以编写下面的入口函数 [c,f,s]=pdefun(x,t,u,du)m,x,t 就是对应于(式1)中相关参数，du 是u 的一阶导数，由给定的输入变量即可表示出出c,f,s 这三个函数@pdebc ：是PDE 的边界条件描述函数，必须先化为下面的形式(,,)(,,).*(,,,)0up x t u q x t u f x t u x∂+=∂ 于是边值条件可以编写下面函数描述为 [pa,qa,pb,qb]=pdebc(x,t,u,du)其中a 表示下边界，b 表示下边界@pdeic ：是PDE 的初值条件，必须化为下面的形式00(,)u x t u =我们使用下面的简单的函数来描述为 u0=pdeic(x)m,x,t ：就是对应于(式1)中相关参数【输出参数】sol ：是一个三维数组，sol(:,:,i)表示u i 的解，换句话说u k 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()直接计算某个点的函数值2、实例讲解试求解下面的偏微分2111222221220.024()0.17()u u F u u t xu u F u u tx ∂∂=−− ∂∂ ∂∂ =−− ∂∂ 其中， 5.7311.46()x x F x e e −=−，且满足初始条件12(,0)1,(,0)0u x u x ==及边界条件1221(0,)0,(0,)0,(1,)1,(1,)0u ut u t u t t x x∂∂====∂∂【解】（1）对照给出的偏微分方程，根据标注形式，则原方程可以改写为111222120.024()1.*1()0.17u u F u u x u u F u u t t x ∂−−∂∂∂=+ ∂−∂∂∂可见m=0，且1122120.024()1,,1()0.17u F u u x c f s u F 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));（2）边界条件改写为12011010.*.*00000u f f u −+=+=下边界上边界%% 边界条件函数function [pa,qa,pb,qb]=pdebc(xa,ua,xb,ub,t) %a 表示下边界，b 表示上边界 pa=[0;ua(2)];qa=[1;0]; pb=[ub(1)-1;0]; qb=[0;1];（3）初值条件改写为1210u u =%% 初值条件函数function u0=pdeic(x) u0=[1;0];（4）最后编写主调函数 clcx=0:0.05:1; t=0:0.05:2; m=0;sol=pdepe(m,@pdefun,@pdeic,@pdebc,x,t);figure('numbertitle','off','name','PDE Demo ——by Matlabsky') subplot(211)surf(x,t,sol(:,:,1)) title('The Solution of u_1') xlabel('X') ylabel('T') zlabel('U') subplot(212)surf(x,t,sol(:,:,2)) title('The Solution of u_2') xlabel('X') ylabel('T') zlabel('U')二、PDEtool 求解特殊PDE 问题MATLAB 的偏微分工具箱(PDE toolbox)可以比较规范的求解各种常见的二阶偏微分方程，但是惋惜的是只能求解特殊二阶的PDE 问题，并且不支持偏微分方程组！PDE toolbox 支持命令行形式求解PDE 问题，但是要记住那些命令以及调用形式真的很累人，还好MATLAB 提供了GUI 可视交互界面pdetool ，在pdetool 中可以很方便的求解一个PDE 问题，并且可以帮我们直接生成M 代码(File->Save As)。
matlab求解初边值问题的偏微分方程
偏微分方程是描述自然界中动态过程的重要数学工具，在工程领域中，求解偏微分方程是很多实际问题的重要一步。
MATLAB作为一种强大的数学计算软件，提供了丰富的工具和函数来求解各种类型的偏微分方程。
本文将介绍使用MATLAB求解初边值问题的偏微分方程的方法和步骤。
一、MATLAB中的偏微分方程求解工具MATLAB提供了几种可以用来求解偏微分方程的工具和函数，主要包括：1. pdepe函数：用于求解偏微分方程初边值问题的函数，可以处理各种类型的偏微分方程，并且可以自定义边界条件和初始条件。
2. pdepeplot函数：用于绘制pdepe函数求解得到的偏微分方程的解的可视化图形，有助于直观地理解方程的解的特性。
3. pdetool工具箱：提供了一个交互式的图形用户界面，可以用来建立偏微分方程模型并进行求解，适用于一些复杂的偏微分方程求解问题。
二、使用pdepe函数求解偏微分方程初边值问题的步骤对于给定的偏微分方程初边值问题，可以按照以下步骤使用pdepe函数进行求解：1. 定义偏微分方程需要将给定的偏微分方程转化为标准形式，即将偏微分方程化为形式为c(x,t,u)∂u/∂t = x(r ∂u/∂x) + ∂(p∂u/∂x) + f(x,t,u)的形式。
2. 编写边界条件和初始条件函数根据实际问题的边界条件和初始条件，编写相应的函数来描述这些条件。
3. 设置空间网格选择合适的空间网格来离散空间变量，可以使用linspace函数来产生均匀分布的网格。
4. 调用pdepe函数求解偏微分方程将定义好的偏微分方程、边界条件和初始条件函数以及空间网格作为参数传递给pdepe函数，调用该函数求解偏微分方程。
5. 可视化结果使用pdepeplot函数绘制偏微分方程的解的可视化图形，以便对解的性质进行分析和理解。
三、实例分析考虑一维热传导方程初边值问题：∂u/∂t = ∂^2u/∂x^2, 0<x<1, 0<t<1u(0,t) = 0, u(1,t) = 0, u(x,0) = sin(πx)使用MATLAB求解该初边值问题的步骤如下：1. 定义偏微分方程将热传导方程化为标准形式，得到c(x,t,u) = 1, r = 1, p = 1, f(x,t,u) = 0。