龙格库塔法
龙格库塔法解微分方程组
龙格库塔法解微分方程组引言微分方程组是数学中经常遇到的问题，在物理、工程和自然科学中都有广泛的应用。
为了求解微分方程组，我们需要利用数值方法来逼近解析解。
本文将介绍一种常用的数值方法——龙格库塔法（Runge-Kutta method），并探讨如何利用该方法来解微分方程组。
龙格库塔法概述龙格库塔法是一种迭代数值方法，用于求解常微分方程的初值问题。
它的主要思想是将微分方程的解进行离散化，将其转化为一系列的逼近值。
龙格库塔法的基本步骤如下：1.确定步长h和迭代次数n。
2.初始化初始条件，并假设第一个逼近值为y(xi)。
3.依次计算每个逼近值，直到得到y(xi+n*h)为止。
在每个迭代步骤中，龙格库塔法根据前一步的逼近值来计算下一步的逼近值。
该方法具有高阶精度和较好的稳定性，在实际应用中广泛使用。
单一微分方程的龙格库塔法首先，我们来看如何利用龙格库塔法来解一阶常微分方程。
以方程dy/dx = f(x, y)为例，其中f(x, y)为给定的函数。
步骤一：确定步长和迭代次数选择合适的步长h和迭代次数n来进行数值计算。
步长h决定了离散化的精度，而迭代次数n决定了逼近解的数目。
步骤二：初始化条件并计算逼近值设初始条件为y(x0) = y0，其中x0为起始点，y0为起始点处的函数值。
我们先通过欧拉法计算出y(x0 + h)的逼近值，然后再通过该逼近值来计算下一个逼近值。
逼近值的计算公式如下：k1 = h * f(x0, y0)k2 = h * f(x0 + h/2, y0 + k1/2)k3 = h * f(x0 + h/2, y0 + k2/2)k4 = h * f(x0 + h, y0 + k3)y(x0 + h) = y0 + 1/6 * (k1 + 2k2 + 2k3 + k4)步骤三：重复步骤二直到得到y(xi+n*h)依次利用上一步计算出的逼近值来计算下一个逼近值，直到得到y(xi+n*h)为止。
微分方程组的龙格库塔法对于一阶微分方程组的初值问题，我们可以将其转化为向量形式。
龙格库塔算法
龙格库塔算法龙格库塔算法（Runge-Kutta method）是一种常用的数值解微分方程的方法，其基本原理是通过逐步逼近的方式，根据初始条件和微分方程的表达式，计算出方程的近似解。
该方法具有较高的精度和稳定性，在科学计算、物理模拟、工程建模等领域得到广泛应用。
龙格库塔算法的核心思想是将微分方程的解按照一定的步长进行离散化，从而将连续的求解问题转化为离散的迭代过程。
具体来说，龙格库塔算法通过计算函数在一定步长内的平均斜率，来估计下一个点的函数值。
这个平均斜率是通过多次计算函数在不同点上的导数得到的，从而提高了计算的精度。
龙格库塔算法的一般形式可以表示为：k1 = f(tn, yn)k2 = f(tn + h/2, yn + h/2 * k1)k3 = f(tn + h/2, yn + h/2 * k2)k4 = f(tn + h, yn + h * k3)yn+1 = yn + h/6 * (k1 + 2k2 + 2k3 + k4)其中，tn是当前时间点，yn是当前函数值，h是步长，f是微分方程的表达式。
通过多次迭代，可以逐渐逼近微分方程的解。
龙格库塔算法的优点在于其精确度较高，可以通过调整步长来控制计算的精度和效率。
此外，该算法具有较好的数值稳定性，可以有效处理非线性、刚性或高阶微分方程等复杂问题。
因此，在科学和工程计算中，龙格库塔算法被广泛应用于各种数值模拟和求解问题。
需要注意的是，龙格库塔算法并非万能的，对于一些特殊的问题，可能存在数值不稳定性或计算精度不够的情况。
此外，算法的步长选择也需要根据具体问题进行调整，过小的步长会增加计算量，而过大的步长可能导致精度下降。
因此，在使用龙格库塔算法时，需要根据具体问题的特点和要求来选择合适的步长和算法参数，以获得满意的计算结果。
总结起来，龙格库塔算法是一种常用的数值解微分方程的方法，具有较高的精度和稳定性。
通过离散化和迭代的方式，可以逐步逼近微分方程的解。
数值计算中的龙格库塔算法
数值计算中的龙格库塔算法龙格库塔算法，又称龙格-库塔算法，是一种数值计算方法，主要用于求解微分方程。
它的好处是通过迭代得到更加精确的数值解，对于很多科学和工程问题，如天体力学、化学反应动力学、电路分析等，都有广泛的应用。
一、初识龙格库塔算法最早提出龙格库塔算法的是瑞士数学家卡尔·龙格和德国数学家马丁·库塔，他们在20世纪初期分别提出了一种求解常微分方程组的方法，后来又被合并为一种更为完善的算法，即现在我们所说的龙格库塔算法。
它的基本思想是将微分方程分解成一系列递推的步骤，通过不断迭代，逐渐逼近准确的解。
龙格库塔算法的核心是求出微分方程在某个时刻的斜率。
一般而言，我们可以使用欧拉法或者梯形法来求解，但这些方法往往会出现舍入误差，导致数值解偏离实际解。
相比之下，龙格库塔算法则将微分方程的初始值向前推进一个尽可能小的步长，通过不断缩小步长的大小进行迭代，在保证精度的同时大大提高了计算效率。
在实际应用中，我们通常会使用四阶龙格库塔算法（RK4）来求解微分方程。
具体做法是先求出微分方程在 $t$ 时刻的斜率$k_1$，然后将$t$ 向前推进一半的步长，求出此时的斜率$k_2$，再用 $k_2$ 推进一半的步长，求出此时的斜率 $k_3$，最后以$k_3$ 推进一个步长，求出微分方程在 $t+h$ 时刻的斜率 $k_4$。
最终的数值解为：$$y_{n+1} = y_n + \frac{1}{6}(k_1+2k_2+2k_3+k_4)h$$其中 $y_{n+1}$ 表示下一个时刻的函数值，$y_n$ 表示当前时刻的函数值，$h$ 表示步长。
这个公式看起来比较复杂，但实际上只是对斜率的加权平均。
通过不断迭代，我们就可以得到越来越精确的解。
二、优缺点及应用与其他数值计算方法相比，龙格库塔算法具有以下优点：1. 高精度：通过四阶跑格库塔公式，可达到高精度计算。
2. 稳定可靠：在每一步均会进行收敛性检验，确保计算结果准确无误。
龙格-库塔(Runge-Kutta)法
龙格-库塔（Runge-Kutta）法 1.1 龙格-库塔(Runge-Kutta)法的基本思想
Euler公式可改写成
yi1 yi hK1 K1 f ( xi , yi )
则yi+1的表达式y(xi+1)与的Taylor展开式的前两项 完全相同,即局部截断误差为 O(h 2 ) 。
为了进一步提高精度，设除 xi p 外再增加一点
xiq xi qh ( p q 1)
并用三个点 xi ,xi p , xiq 的斜率k1,k2,k3加权平均
得出平均斜率k*的近似值，这时计算格式具有形式:
yi1 yi h(1 )k1 k2 k3
k1 f (xi , yi ) k2 f (xi ph, yi phk1 )
格式。
若取 1 0 ,则 2 法的计算公式为
1,
p
1 2
，此时二阶龙格-库塔
ky1i
1
f
yi hk2 ( xi , yi )
k
2
h
f
(
x
i
1
,
yi
2
2 k1 )
i 0,1,2, n 1
此计算公式称为变形的二阶龙格—库塔法。式中
x 1 i 2
为区间
xi , xi1
的中点。
1.3 三阶龙格-库塔法
拉法,将 xi p 视为 xi1，即可得
k2 f (xi ph, yi phk1 ) 对常微分方程初值问题(7.1)式的解 y=y(x),根据微 分中值定理，存在点 (xi , xi1 ) ，使得
也即
y(xi1 ) y(xi ) y( )( xi1 xi )
y( xi1 ) y( xi ) hK
龙格库塔法
一、高阶泰勒法
假设初值问题
龙格—库塔法 龙格 库塔法
dy = f (t , y ) dt y (a) = α 的解y (t)及f (t , y )足够光滑.
将y (ti +1 )在ti处作n阶泰勒展开, 得
a≤t ≤b
(1)
y′′(ti ) 2 y ( n ) (ti ) n y ( n +1) (ξ i ) n +1 y (ti +1 ) = y (ti ) + y′(ti )h + h +L+ h + h n! 2! (n + 1)! 其中, ti < ξ i < ti +1.
2
i
i
1
3
i
i
2
4
i
i
3
i +1
i
6123 Nhomakorabea4
作业 教材P198 习题3
(2)
(3)
首先将y (ti +1 )在ti处展成幂级数 h2 y (ti +1 ) = y (ti ) + hy′(ti ) + y′′(ti ) + O(h 3 ) 2 将 y′(t ) = f (t , y (t )) y′′(t ) = f t′(t , y (t )) + f y (t , y (t )) f (t , y (t )) 代入上式, 得 h2 y (ti +1 ) = y (ti ) + hf + ( f t + ff y ) + O(h 3 ) (3) 2 其中f , f t , f y′分别表示相应函数在点(ti , y (ti ))处的函数值.
计算方法上机作业——龙格库塔法
计算方法上机作业——龙格库塔法龙格库塔法（Runge-Kutta method）是一种常用于求解常微分方程（Ordinary Differential Equation，ODE）的数值解法。
它是由德国数学家卡尔·龙格（Carl Runge）和马丁·威尔海姆·库塔（Martin Wilhelm Kutta）在20世纪初提出的。
龙格库塔法的基本思想是通过数值逼近来计算微分方程的近似解。
在讲解龙格库塔法之前，我们先来简单回顾一下ODE的一阶常微分方程的基本形式：y′(y)=y(y,y)其中，y(y,y)是已知函数。
龙格库塔法的核心是使用差分逼近计算函数的斜率。
假设我们要求解的方程为：y′(y)=y(y,y),y(y)=y₀所需计算的点为y₀,y₁,...,yy，对应的函数值为y₀,y₁,...,yy，其中y是步长的个数。
龙格库塔法通过递推关系式来计算估计值，并不断更新当前点的函数值。
接下来以龙格库塔法的经典四阶形式为例进行说明。
该方法的基本方程如下：yy+1=yy+(y₁+2y₂+2y₃+y₄)/6y₁=ℎy(yy,yy)y₂=ℎy(yy+ℎ/2,yy+y₁/2)y₃=ℎy(yy+ℎ/2,yy+y₂/2)y₄=ℎy(yy+ℎ,yy+y₃)其中y表示当前步骤，ℎ表示步长，yy表示当前点的函数值，y₁,y₂,y₃和y₄则表示对应的斜率。
使用龙格库塔法，我们可以通过不断递归计算来求得指定区间（例如[y,y]）上的函数值。
具体步骤如下：1.确定求解区间[y,y]和初始点(y₀,y₀)以及步长ℎ。
2.初始化：设置yy=y₀，yy=y₀。
3.对所有y=0,...,y−1：计算y₁,y₂,y₃和y₄，根据上述递推关系式。
根据递推关系式计算yy+1更新当前点的函数值，即yy+1=y(yy+1)。
更新当前点的y值，即yy+1=yy+ℎ。
4.返回结果：最终求得的函数值。
需要注意的是，选择适当的步长对最终结果的精度和计算效率都有重要影响。
82第二节 龙格—库塔法
k
(1)
h h k 若令 yn1 y xn hy xn y xn y xn (2) 2! k! 则 y xn1 yn1 O hk 1
y0 k1 2 k2 hf x0 h 2, y0 k1 2
y0 k3
k4 hf x0 h, y0 k3
y0 k2 2 k3 hf x0 h 2, y0 k2 2
k
x1 x0 h y1 y0 k
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0.1832292
0.1584376
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接上图
0.4 0.5 0.5 0.6 0.6 1.341667 1.416026 1.412676 1.482627 1.483281 0.0745394 0.0710094 0.0708400 0.0673253
0.1416245
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由表8-4可见，虽然四阶龙格-库塔方法每步要 计算四次 f 的值，但以h=0.2为步长ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ计算结果就
有5 位有效数字，而欧拉法与预估计-校正方法以
h=0.1为步长的计算结果才具有2 位与3 位有效数字.
如果步长 h 也取0.2，则结果的精度会更低.
即公式(2)为k 阶方法.
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二、龙格-库塔方法(R-K方法)
R-K方法不是通过求导数的方法构造近似公式, 而是通过计算不同点上的函数值, 并对这些函数值作 线性组合, 构造近似公式, 再把近似公式与解的泰勒 展开式进行比较, 使前面的若干项相同 , 从而使近似 公式达到一定的阶数.
龙格库塔方程
龙格库塔方程1.介绍龙格-库塔（RK）方法是求解常微分方程（ODE）最常见的数值方法之一。
对于大多数非线性ODE问题，解析解并不存在或难以获得，因此需要使用数值方法来近似计算解。
RK方法通过迭代逼近ODE的解来得到精确性可控、收敛性好、易实现的数值解。
RK方法的基本思想是将ODE中的一阶导数转化为一组计算步骤，以得到相邻时间点之间的函数值和一阶导数的近似值，然后将其结合起来得到一个更精确的解。
2.RK方法的推导RK方法的推导过程是基于欧拉方法的，欧拉方法是RK方法的一阶近似。
假设有ODE$\frac{dx}{dt}=f(x,t)$，欧拉方法的迭代公式为$$x_{n+1}=x_n+hf(x_n,t_n)$$其中$h$是时间步长，$t_n=n*h$。
这个公式的意思是，从$x_n$开始，用一阶导数$f(x_n,t_n)$来列出切线，然后沿着切线向前移动$h$个单位，得到$x_{n+1}$。
更高阶的RK方法则基于更精细的近似。
例如，经典的四阶RK方法（RK4）迭代公式为：\begin{align*}k_1&=f(x_n,t_n)\\k_2&=f(x_n+\frac{h}{2}k_1,t_n+\frac{h}{2})\\k_3&=f(x_n+\frac{h}{2}k_2,t_n+\frac{h}{2})\\k_4&=f(x_n+h k_3,t_n+h)\\x_{n+1}&=x_n+\frac{h}{6}(k_1+2k_2+2k_3+k_4)\end{align*}其中，$k_1$是欧拉方法的一阶导数解，依次计算得到更高阶的导数近似值$k_2-k_4$。
3.RK方法的优势RK方法与其他数值方法相比具有众多优点。
首先，RK方法的精度可控。
通过增加迭代次数或者近似阶次，RK 方法可以获得任意高的精度。
这个特性非常适用于涉及长时间尺度和小尺度特征的问题，例如天气预报，需要同时精确地处理地球的自转和大气的扰动。
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北京航空航天大学自动控制原理实验报告
目录
实验四控制系统数字仿真 (2)
一、实验目的 (2)
二、实验方法 (2)
1、四阶龙格-库塔法 (2)
2、控制系统数字仿真 (3)
三、实验内容 (3)
四、实验步骤 (4)
1、确定K值 (4)
2、仿真过程 (4)
3、用Simulink工具箱进行仿真 (7)
五、总结与分析 (9)
实验四 控制系统数字仿真
一、 实验目的
通过实验掌握四阶龙格库塔算法，并进行数字系统仿真实验，观察分析系统参数变换对实验结果及系统性能的影响。
二、 实验方法 1、四阶龙格-库塔法
若一阶微分方程如下：{ẏ(t )=f(t,y(t))
y (t )=y 0 则在t n+1(t n+1>t 0)处，
y(t n+1)的近似值为：
y n+1
=y n +h
6
(k 1+2k 2+2k 3+k 4)
式中：h=t n+1−t n k 1= f(t n ,y n )
k 2= f(t n +1
2h,y n +1
2hk 2)
k 4= f(t n +12
h,y n +12
hk 1) k 3= f((t n +1
2
h,y n +1
2
hk 3)
n=0,1,2,3......
如果微分方程是如下形式的向量微分方程：{
X (t )=F(t,x (t ),u(t))
X (t )=X 0 其中，X (t )为m 维向量，t,u(t)均为标量，则在t n+1处（t n+1>t n ）, X (t )的近似值为：
X n+1
=X n +h
6
(K 1+2K 2+2K 3+K 4)
式中：h=t n+1−t n K 1= F(t n ,X n ,u(t n ))
K 2= F(t n +1
2h,X n +1
2hK 1,u(t n ))
K 4= F(t n +12
h,X n +12
hK 2,u(t n )) K 3= F((t n +1
2
h,X +1
2
hK 3,u(t n ))
n=0,1,2,3,……
2、控制系统数字仿真
设系统的闭环传递函数为：φ(s )=
y(s)u(s)=c 1s n+1+c 2s n+2+⋯+c n+1+c n
s n +as n−1+⋯+a n−1+a n
引入中间变量V(s)则上式可化为：y(s)u(s)
=
y(s)v(s)
×
v(s)u(s)
令
v(s)u(s)
=
1
s n +as n−1+⋯+a
n−1s+a n
，
y(s)v(s)
=c 1s n+1+c 2s n+2+⋯+
c n+1s +c n
经过运算、整理可得如下向量形式：
{
ẋ(t )=AX (t )+bu(t)
y (t )=cX(t)x (0)=0
所以，可得F(t,X (t ),u (t ))=AX (t )+bu(t)
三、实验内容
已知系统结构如图1所示：
图1 系统结构图
若输入为单位阶跃函数，计算当超调量分别为非作5%，25%和50%时K的取值，（用主导极点方法估算），并根据确定的K值在计算机上进行数字仿真。
四、实验步骤
1、确定K值
用主导极点法估算K值，将三阶系统近似为二阶系统处理，已知二阶系统超调量σ%与阻尼比ζ的关系如下：
σ%=e−πζ/√1−ζ2×100%
故由此可求得超调量σ%与阻尼比ζ的对应值，列表如下：
由二阶系统计算公式可设主导极点S1,2=−ζωn±j√1−ζ2ωn，将主导极点S1,2代入高阶系统特征方程D(s)=S3+10S2+25S+k= 0中，再由幅值条件和相角条件可解得对应极点和K值，列表如下：
2、仿真过程
用Matlab编写龙格库塔程序，将计算得到的K值带入程序，得到超调量，同时将阶跃响应曲线输出。
程序如下：（替换K值为上述计算值即可）
A=[0 1 0;0 0 1;-K -25 -10];
b=[0 0 1];
c=[K 0 0];
X=zeros(3,1);
t=0:0.01:10;
n=length(t);
h=0.01;
for i=1:n
K1=A*X+b;
K2=A*(X+(h/2)*K1)+b;
K3=A*(X+(h/2)*K2)+b;
K4=A*(X+h*K3)+b;
X=X+(h/6)*(K1+2*K2+2*K3+K4);
y(i)=c*X;
end
plot(y);
s=1001;while y(s)>0.95&y(s)<1.05;s=s-1;end;
t=(s-1)*0.005;
max(y)-1
仿真波形如下：（依次为K=31.1、K=59.5、K=103）
龙格库塔仿真结果如下：
3、用Simulink工具箱进行仿真
将龙格库塔仿真波形与Simulink仿真波形进行比较，验证龙格库塔程序的正确性。
Simulink仿真模型如图：
在Fransfer Fcn模块中改变分子值即可实现不同K值下的仿真。
经两种波形对比，验证了龙格库塔仿真程序的正确性，下面以K=59.5为例展示仿真结果。
K=59.5时对比图：（上图为龙格库塔仿真结果，下图为Simulink 仿真结果）
五、总结与分析
由龙格库塔仿真波形与Simulink仿真波形的比较可知龙格库塔算法本身误差较小，龙格库塔仿真的误差主要由主导极点近似处理高阶系统带来的。
对比龙格库塔仿真结果与理论值，可知随系统增益K增加，主导极点近似法带来的误差增加。
本次实验难度较大，主要原因是对Matlab掌握不足，但在实验后见识到Matlab强大的矩阵处理能力和Simulink仿真工具仿真自控系统的便捷。
如果是用C语言编写龙格库塔仿真程序将十分繁琐，增加仿真难度。