


Study with the several resources on Docsity
Earn points by helping other students or get them with a premium plan
Prepare for your exams
Study with the several resources on Docsity
Earn points to download
Earn points by helping other students or get them with a premium plan
Community
Ask the community for help and clear up your study doubts
Discover the best universities in your country according to Docsity users
Free resources
Download our free guides on studying techniques, anxiety management strategies, and thesis advice from Docsity tutors
This course contains solution of non linear equations and linear system of equations, approximation of eigen values, interpolation and polynomial approximation, numerical differentiation, integration, numerical solution of ordinary differential equations. This lecture includes: Runge, Kutta, Method, German, Mathematician, Higher, Derivative, Equation, Euler, Modified, Weighted, Average
Typology: Lecture notes
1 / 4
This page cannot be seen from the preview
Don't miss anything!
TThheessee aarree ccoommppuuttaattiioonnaallllyy,, mmoosstt eeffffiicciieenntt mmeetthhooddss iinn tteerrmmss ooff aaccccuurraaccyy.. TThheeyy wweerree
ddeevveellooppeedd bbyy ttwwoo GGeerrmmaann mmaatthheemmaattiicciiaannss,, RRuunnggee aanndd KKuuttttaa..
TThheeyy aarree ddiissttiinngguuiisshheedd bbyy tthheeiirr oorrddeerrss iinn tthhee sseennssee tthhaatt tthheeyy aaggrreeee wwiitthh TTaayylloorr’’ss sseerriieess
ssoolluuttiioonn uupp ttoo tteerrmmss ooff^ hh
rr , w,whheerree (^) rr isis tthhee oorrddeerr ooff tthhee mmeetthhoodd.. TThheessee mmeetthhooddss ddoo nnoott
ddeemmaanndd pprriioorr ccoommppuuttaattiioonn ooff hhiigghheerr ddeerriivvaattiivveess ooff yy((tt)) aass iinn TTSSMM..
FFoouurrtthh--oorrddeerr RRuunnggee--KKuuttttaa mmeetthhooddss aarree wwiiddeellyy uusseedd ffoorr ffiinnddiinngg tthhee nnuummeerriiccaall ssoolluuttiioonnss ooff
lliinneeaarr oorr nnoonn--lliinneeaarr oorrddiinnaarryy ddiiffffeerreennttiiaall eeqquuaattiioonnss,, tthhee ddeevveellooppmmeenntt ooff wwhhiicchh iiss
ccoommpplliiccaatteedd aallggeebbrraaiiccaallllyy..
TThheerreeffoorree,, wwee ccoonnvveeyy tthhee bbaassiicc iiddeeaa ooff tthheessee mmeetthhooddss bbyy ddeevveellooppiinngg tthhee sseeccoonndd--oorrddeerr
RRuunnggee--KKuuttttaa mmeetthhoodd wwhhiicchh wwee sshhaallll rreeffeerr hheerreeaafftteerr aass RR--KK mmeetthhoodd..
PPlleeaassee rreeccaallll tthhaatt tthhee mmooddiiffiieedd EEuulleerr’’ss mmeetthhoodd:: wwhhiicchh ccaann bbee vviieewweedd aass
n 1 n y y h
= + (^) ((aavveerraaggee ooff ssllooppeess))
TThhiiss,, iinn ffaacctt,, iiss tthhee bbaassiicc iiddeeaa ooff RR--KK mmeetthhoodd..
HHeerree,, wwee ffiinndd tthhee ssllooppeess nnoott oonnllyy aatt^ tt nn
bbuutt aallssoo aatt sseevveerraall ootthheerr iinntteerriioorr ppooiinnttss,, aanndd ttaakkee tthhee
wweeiigghhtteedd aavveerraaggee ooff tthheessee ssllooppeess aanndd aadddd ttoo yy n n
toto ggeett yy nn++1^1
. N.Nooww,, wwee sshhaallll ddeerriivvee tthhee
sseeccoonndd oorrddeerr RR--KK mmeetthhoodd iinn tthhee ffoolllloowwiinngg sslliiddeess..
CCoonnssiiddeerr tthhee IIVVPP
n n
dy f t y y t y dt
WWee aallssoo ddeeffiinnee
aanndd ttaakkee tthhee wweeiigghhtteedd aavveerraaggee ooff^ kk 11
aanndd^ kk 2 2
anandd aadddd ttoo yy nn
ttoo ggeett^ yy nn++1 1
WWee sseeeekk aa ffoorrmmuullaa ooff tthhee ffoorrmm yn (^) + 1 = yn + W k 1 1 (^) + W k 2 2
aaggrreeee wwiitthh tthhee TTaayylloorr’’ss sseerriieess eexxppaannssiioonn aass hhiigghh aann oorrddeerr aass ppoossssiibbllee
TThhuuss,, uussiinngg TTaayylloorr’’ss sseerriieess eexxppaannssiioonn,, wwee hhaavvee 2 3
( 1 ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 6
n n n n n
h h y t (^) + = y t + hy t ′^ + y ′′^ t + y ′′′ t +"
RReewwrriittiinngg tthhee ddeerriivvaattiivveess ooff yy iinn tteerrmmss ooff^ ff^ ooff tthhee aabboovvee eeqquuaattiioonn,, wwee ggeett
2
1 (^ ,^ )^ (^ ) 2
n n n n t y
h y (^) + = y + hf t y + f + ff
3 2 4 2 ( ) ( ) 6
tt ty yy y t y
h
HHeerree,, aallll ddeerriivvaattiivveess aarree eevvaalluuaatteedd aatt (( tt nn
,, yy nn
NNeexxtt,, wwee sshhaallll rreewwrriittee tthhee ggiivveenn eeqquuaattiioonn aafftteerr iinnsseerrttiinngg tthhee eexxpprreessssiioonnss oorr^ kk 11
aanndd^ kk 2 2
asas
NNooww uussiinngg TTaayylloorr’’ss sseerriieess eexxppaannssiioonn ooff ttwwoo vvaarriiaabblleess,, wwee oobbttaaiinn
2 2 2 2 1 3 1 (^ ) 2 2
n ty yy
h k f h k f f O h
HHeerree aaggaaiinn,, aallll ddeerriivvaattiivveess aarree ccoommppuutteedd aatt (( tt nn
,,^ yy nn
).). OOnn iinnsseerrttiinngg tthhee eexxpprreessssiioonn ffoorr (^) kk 11
tthhee aabboovvee eeqquuaattiioonn bbeeccoommeess
2 2 2 2 2 2 3 ( ) 2 2
tt ty yy
h h f h ff f f O h
OOnn rreeaarrrraannggiinngg iinn tthhee iinnccrreeaassiinngg ppoowweerrss ooff hh ,, wwee ggeett
2
2 2 2 3 4 2 (^ ) 2 2
y tt ty
f ff W h f ff O h
NNooww,, eeqquuaattiinngg ccooeeffffiicciieennttss ooff^ hh^ aanndd^ hh
iinn tthhee ttwwoo eeqquuaattiioonnss,, wwee oobbttaaiinn
t y t y
f ff
Implying
1 2 2 2
TThhuuss,, wwee hhaavvee tthhrreeee eeqquuaattiioonnss iinn ffoouurr uunnkknnoowwnnss aanndd ssoo,, wwee ccaann cchhoossee oonnee vvaalluuee
aarrbbiittrraarriillyy.. SSoollvviinngg wwee ggeett
1 2 2 2
WWhheerree WW 2 2
isis aarrbbiittrraarryy aanndd vvaarriioouuss vvaalluueess ccaann bbee aassssiiggnneedd ttoo iitt..
WWee nnooww ccoonnssiiddeerr ttwwoo ccaasseess,, wwhhiicchh aarree ppooppuullaarr
IIff wwee cchhoooossee WW 22
tthheenn WW 11
== 22//33 aanndd α = β=3 / 2
1 1 2
y n (^) + = yn + k + k
1 2 1
k hf t y k hf t h y k
= ½=½,, tthheenn WW 1 1
= ½=½ aanndd α = β=1.
TThheenn
1 2 1 2
n n
k k y (^) + y
where
1
1 2
2 3
4 3
n n
n n
n n
n n
k hf t y
h k k hf t y
h k k hf t y
k hf t h y k
PPlleeaassee nnoottee tthhaatt tthhee sseeccoonndd--oorrddeerr RRuunnggee--KKuuttttaa mmeetthhoodd ddeessccrriibbeedd aabboovvee rreeqquuiirreess tthhee
eevvaalluuaattiioonn ooff tthhee ffuunnccttiioonn ttwwiiccee ffoorr eeaacchh ccoommpplleettee sstteepp ooff iinntteeggrraattiioonn..
SSiimmiillaarrllyy,, ffoouurrtthh--oorrddeerr RRuunnggee--KKuuttttaa mmeetthhoodd rreeqquuiirreess tthhee eevvaalluuaattiioonn ooff tthhee ffuunnccttiioonn ffoouurr
ttiimmeess.. TThhee ddiissccuussssiioonn oonn ooppttiimmaall oorrddeerr RR--KK mmeetthhoodd iiss vveerryy iinntteerreessttiinngg,, bbuutt wwiillll bbee
ddiissccuusssseedd ssoommee ootthheerr ttiimmee..