改进欧拉法是对欧拉算法的改进方法。微分方程的本质特征是方程中含有导数项,
数值解法的第一步就是设法消除其导数值,这个过程称为离散化。实现离散化的基本途径是用向前
差商来近似代替导数,这就是欧拉算法实现的依据。欧拉(Euler)算法是数值求解中最基本、最简单的方法,但其
求解精度较低,一般不在工程中单独进行运算。
欧拉算法
所谓数值求解,就是求问题的解y(x)在一系列点上的值y(xi)的
近似值yi。对于
常微分方程:
可以将区间[a,b]分成n段,那么方程在第xi点有y'(xi)=f(xi,y(xi)),再用向前差商近似代替导数则为:(y(xi+1)-y(xi))/h= f(xi,y(xi)),在这里,h是
步长,即相邻两个结点间的距离。因此可以根据xi点和yi点的
数值计算出yi+1来:
yi+1= yi+h*f(xi ,yi),i=0,1,2,L
这就是
欧拉公式,若初值yi+1是已知的,则可依据上式逐步算出数值解y1,y2,L。
为简化分析,人们常在yi为准确即yi=y(xi)的前提下
估计误差y(xi+1)-yi+1,这种误差称为局部
截断误差。
如果一种
数值方法的局部截断误差为O(h^(p+1)),则称它的精度是p阶的,或称之为p阶方法。欧拉格式的局部截断误差为O(h^2),由此可知欧拉格式仅为一阶方法。
欧拉公式
y(xi+1)=yi+h*f(xi,yi)
且xi=x0+i*h (i=0,1,2,…,n-1)
局部截断误差是O(h^2)
改进的算法
先用
欧拉法求得一个初步的近似值,称为预报值,然后用它替代梯形法右端的yi+1再直接计算fi+1,得到校正值yi+1,这样建立的预报-校正系统称为改进的欧拉格式:
预报值 y~i+1=yi + h*f(xi,yi)
校正值 yi+1 =yi+(h/2)*[f(xi,yi)+f(xi+1,y~i+1)]
它有下列平均化形式:
yp=yi+h*f(xi,yi)
且 yc=yi+h*f(xi+1,yp)
且 yi+1=(yp+yc)/2
它的局部截断误差为O(h^3),可见,改进欧拉格式较欧拉格式提高了精度,其截断误差比欧拉格式提高了一阶。
注:欧拉法用差商 [y(xi+1)-y(xi)]/h 近似代替y(xi)的导数,局部截断误差较大;改进欧拉法先用欧拉法求出预报值,再利用
梯形公式求出校正值,局部截断误差比欧拉法低了一阶,较大程度地提高了计算精度。