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龙格-库塔法的 MATLAB 实现

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龙格-库塔法是一种用于求解常微分方程初值问题的数值方法。下面提供了一个四阶龙格-库塔法在 MATLAB 中的实现示例。这个示例将用于求解一个简单的常微分方程。

假设我们需要求解微分方程:
[ \frac{dy}{dt} = f(t, y) ]
其中 ( f(t, y) ) 是已知的函数,初始条件为 ( y(t_0) = y_0 )。

以下代码实现了四阶龙格-库塔法来近似解该方程:

  1. % 定义微分方程的右侧函数 f(t, y)
  2. function dydt = f(t, y)
  3. dydt = -2 * t * y; % 示例函数
  4. end
  5. % 四阶龙格-库塔法实现
  6. function [t_values, y_values] = runge_kutta_4th_order(f, t0, y0, h, n)
  7. % 初始化时间和解向量
  8. t_values = t0:h:(t0 + n*h);
  9. y_values = zeros(size(t_values));
  10. y_values(1) = y0;
  11. % 迭代计算
  12. for i = 1:n
  13. t_i = t_values(i);
  14. y_i = y_values(i);
  15. k1 = h * f(t_i, y_i);
  16. k2 = h * f(t_i + h/2, y_i + k1/2);
  17. k3 = h * f(t_i + h/2, y_i + k2/2);
  18. k4 = h * f(t_i + h, y_i + k3);
  19. y_values(i+1) = y_i + (k1 + 2*k2 + 2*k3 + k4) / 6;
  20. end
  21. end
  22. % 使用示例
  23. t0 = 0; % 初始时间
  24. y0 = 1; % 初始条件
  25. h = 0.1; % 步长
  26. n = 100; % 步数
  27. [t_values, y_values] = runge_kutta_4th_order(@f, t0, y0, h, n);
  28. % 绘制结果
  29. plot(t_values, y_values, 'b-o');
  30. xlabel('Time t');
  31. ylabel('Solution y');
  32. title('Runge-Kutta 4th Order Method');
  33. grid on;

在这段代码中:
- 定义了一个函数 f(t, y) 作为右端项。
- runge_kutta_4th_order 函数实现了四阶龙格-库塔法,它接收函数句柄 f、初始值 t0y0、步长 h 以及步数 n
- 后面的代码片段设置了初始条件和参数,调用上述函数并绘制计算结果。

确保替换函数 f(t, y) 为你具体问题的实际函数实现。

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