simulacion_numerica

76
Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinarias Resoluci´onnum´ erica de problemas de valor inicial de EDOs Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales Simulaci´onnum´ erica Ander Murua Donostia, UPV/EHU

description

aa

Transcript of simulacion_numerica

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Simulacion numerica

    Ander Murua

    Donostia, UPV/EHU

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Ecuaciones de primer ordenEcuaciones de segundo ordenSistemas de ecuaciones de primer ordenEcuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Modelo Malthusiano

    dP

    dt= rP, P(0) = P0

    donde r es la diferencia entre la tasa de natalidad y la tasa demortandad por unidad de tiempo. La solucion exacta es

    P(t) = P0 er t .

    Si r > 0, la poblacion crece de forma ilimitada, y si r < 0, decaeexponencialmente hacia cero.Este modelo no es nada realista, pues no tiene en cuenta lalimitacion de recursos naturales.

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Ecuaciones de primer ordenEcuaciones de segundo ordenSistemas de ecuaciones de primer ordenEcuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Modelo Malthusiano

    dP

    dt= rP, P(0) = P0

    donde r es la diferencia entre la tasa de natalidad y la tasa demortandad por unidad de tiempo. La solucion exacta es

    P(t) = P0 er t .

    Si r > 0, la poblacion crece de forma ilimitada, y si r < 0, decaeexponencialmente hacia cero.Este modelo no es nada realista, pues no tiene en cuenta lalimitacion de recursos naturales.

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Ecuaciones de primer ordenEcuaciones de segundo ordenSistemas de ecuaciones de primer ordenEcuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Modelo de Verhulst. Ecuacion logstica

    dP

    dt= r (1 P/K )P, P(0) = P0,

    donde r > 0.

    Si P0 = K , entonces P(t) = K para todo t.

    Se puede comprobarque la solucion general es de la forma

    P(t) =K P0

    P0 + (K P0)er t ,

    de modo que en cualquier caso (para P0 0 arbitrario), lapoblacion tiende hacia K cuando t .

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Ecuaciones de primer ordenEcuaciones de segundo ordenSistemas de ecuaciones de primer ordenEcuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Modelo de Verhulst. Ecuacion logstica

    dP

    dt= r (1 P/K )P, P(0) = P0,

    donde r > 0.

    Si P0 = K , entonces P(t) = K para todo t. Se puede comprobarque la solucion general es de la forma

    P(t) =K P0

    P0 + (K P0)er t ,

    de modo que en cualquier caso (para P0 0 arbitrario), lapoblacion tiende hacia K cuando t .

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Ecuaciones de primer ordenEcuaciones de segundo ordenSistemas de ecuaciones de primer ordenEcuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Modelo simplificado de pesca

    dP

    dt= r(1 P/K )P H(t)

    donde t el tiempo medido en meses, y H(t) es la cantidad detoneladas que se pesca por unidad de tiempo. Consideremos doscasos:

    Se pesca un numero fijo L de toneladas al mes durante todo elano. En ese caso, H(t) es una funcion constante H(t) = L.Solo se pesca durante tres meses al ano, con una cantidad fijaL de toneladas al mes, y durante el resto del ano no se pesca.En tal caso, H(t) sera una funcion periodica

    H(t) =

    {L si 12n t < 12n + 30 si 12n + 3 t < 13n

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Ecuaciones de primer ordenEcuaciones de segundo ordenSistemas de ecuaciones de primer ordenEcuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Modelo simplificado de pesca

    dP

    dt= r(1 P/K )P H(t)

    donde t el tiempo medido en meses, y H(t) es la cantidad detoneladas que se pesca por unidad de tiempo. Consideremos doscasos:

    Se pesca un numero fijo L de toneladas al mes durante todo elano. En ese caso, H(t) es una funcion constante H(t) = L.

    Solo se pesca durante tres meses al ano, con una cantidad fijaL de toneladas al mes, y durante el resto del ano no se pesca.En tal caso, H(t) sera una funcion periodica

    H(t) =

    {L si 12n t < 12n + 30 si 12n + 3 t < 13n

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Ecuaciones de primer ordenEcuaciones de segundo ordenSistemas de ecuaciones de primer ordenEcuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Modelo simplificado de pesca

    dP

    dt= r(1 P/K )P H(t)

    donde t el tiempo medido en meses, y H(t) es la cantidad detoneladas que se pesca por unidad de tiempo. Consideremos doscasos:

    Se pesca un numero fijo L de toneladas al mes durante todo elano. En ese caso, H(t) es una funcion constante H(t) = L.Solo se pesca durante tres meses al ano, con una cantidad fijaL de toneladas al mes, y durante el resto del ano no se pesca.En tal caso, H(t) sera una funcion periodica

    H(t) =

    {L si 12n t < 12n + 30 si 12n + 3 t < 13n

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Ecuaciones de primer ordenEcuaciones de segundo ordenSistemas de ecuaciones de primer ordenEcuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Velocidad de caida de un paracaidista

    mdv

    dt= mg + c v2, v(0) = 0.

    donde m es la masa del paracaidista en kilogramos, g = 9.8m/s2,y c > 0 es un parametro relativo a la friccion del aire con respectoal cuerpo que cae.Tiene dicho problema solucion unica?

    De hecho, se puedecomprobar que la solucion v(t) es

    v(t) = vt 1 exp(2gt/vt)1 + exp(2gt/vt)

    donde vt =

    mg/c . Observar que limt v(t) = vt .

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Ecuaciones de primer ordenEcuaciones de segundo ordenSistemas de ecuaciones de primer ordenEcuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Velocidad de caida de un paracaidista

    mdv

    dt= mg + c v2, v(0) = 0.

    donde m es la masa del paracaidista en kilogramos, g = 9.8m/s2,y c > 0 es un parametro relativo a la friccion del aire con respectoal cuerpo que cae.Tiene dicho problema solucion unica? De hecho, se puedecomprobar que la solucion v(t) es

    v(t) = vt 1 exp(2gt/vt)1 + exp(2gt/vt)

    donde vt =

    mg/c .

    Observar que limt v(t) = vt .

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Ecuaciones de primer ordenEcuaciones de segundo ordenSistemas de ecuaciones de primer ordenEcuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Velocidad de caida de un paracaidista

    mdv

    dt= mg + c v2, v(0) = 0.

    donde m es la masa del paracaidista en kilogramos, g = 9.8m/s2,y c > 0 es un parametro relativo a la friccion del aire con respectoal cuerpo que cae.Tiene dicho problema solucion unica? De hecho, se puedecomprobar que la solucion v(t) es

    v(t) = vt 1 exp(2gt/vt)1 + exp(2gt/vt)

    donde vt =

    mg/c . Observar que limt v(t) = vt .

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Ecuaciones de primer ordenEcuaciones de segundo ordenSistemas de ecuaciones de primer ordenEcuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Ecuacion del pendulo

    mLd2

    dt2= mg sin() c d

    dt

    Este es un ejemplo de ecuacion de segundo orden. Si introducimosuna nueva variable para la velocidad angular ddt , obtenemos unsistema de ecuaciones diferenciales de primer orden

    d

    dt= g

    Lsin() c

    m L

    d

    dt=

    Para determinar una solucion concreta, hay que conocer (t0) y(t0) para un instante t0 inicial. Fijados estos valores, la soluciones unica.

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Ecuaciones de primer ordenEcuaciones de segundo ordenSistemas de ecuaciones de primer ordenEcuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Ecuacion del pendulo

    mLd2

    dt2= mg sin() c d

    dt

    Este es un ejemplo de ecuacion de segundo orden. Si introducimosuna nueva variable para la velocidad angular ddt , obtenemos unsistema de ecuaciones diferenciales de primer orden

    d

    dt= g

    Lsin() c

    m L

    d

    dt=

    Para determinar una solucion concreta, hay que conocer (t0) y(t0) para un instante t0 inicial. Fijados estos valores, la soluciones unica.

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Ecuaciones de primer ordenEcuaciones de segundo ordenSistemas de ecuaciones de primer ordenEcuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Un modelo depredador-presa: El sistema de Lotka-Volterra

    du

    dt= (a b v) u,

    dv

    dt= (c u d) v ,

    donde u representa la poblacion de presas y v la de depredadores,y a, b, c , d > 0 son parametros del problema previamente fijados.

    Es un sistema autonomo.

    Se puede ver que sus soluciones son periodicas.

    Si se conocen u(0) y v(0) (ademas de los valores de losparametros a, b, c , d > 0), la solucion (u(t), v(t)) se puededeterminar de forma unica.

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Ecuaciones de primer ordenEcuaciones de segundo ordenSistemas de ecuaciones de primer ordenEcuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Consideremos la funcion

    I (u, v) = d ln u + a ln v c u b v .

    Para cualquier solucion (u(t), v(t)) del sistema

    d

    dtI (u(t), v(t)) = 0 para todo t,

    y por tanto

    I (u(t), v(t)) = I (u(0), v(0)) para todo t,

    es decir, I (u, v) is un invariante del sistema. A partir de ello, sepuede deducir que (u(t), v(t)) es periodica respecto de t.

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Ecuaciones de primer ordenEcuaciones de segundo ordenSistemas de ecuaciones de primer ordenEcuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Simulacion de un satelite artificial

    El movimiento de un satelite artificial alrededor de la tierra:

    d2x

    dt2= x

    r3+ #Fx(x , y),

    d2y

    dt2= y

    r3+ #Fy (x , y),

    donde # es una constante positiva, r =

    x2 + y2, y

    Fx(x , y) =1

    2

    (9 + 15x

    2

    r2

    )x

    r5,

    Fy (x , y) =1

    2

    (3 + 15x

    2

    r2

    )y

    r5.

    Valor tpico del parmetro: # = 103.Ejemplo de valores iniciales con solucion casi periodica:

    x(0) = 1, y(0) = 0, x (0) = 0, y (0) = 1.

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Ecuaciones de primer ordenEcuaciones de segundo ordenSistemas de ecuaciones de primer ordenEcuaciones diferenciales en derivadas parciales

    El sistema de Lorenz

    El siguiente sistema es un ejemplo de sistema caotico (fuepropuesto por Lorenz como un modelo simplificado para laevolucion de variables atmosfericas).

    dx

    dt= a x + a y ,

    dy

    dt= r x y x z ,

    dz

    dt= b z + x y ,

    donde a, b, y r son constantes positivas.Valores tpicos de los parametros: a = 10, b = 8/3, y r = 28.Ejemplo de condiciones iniciales:

    x(0) = 1, y(0) = 2, z(0) = 3.

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Ecuaciones de primer ordenEcuaciones de segundo ordenSistemas de ecuaciones de primer ordenEcuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Supongamos que tenemos una barra fina aislada termicamente delexterior, excepto posiblemente por los extremos.

    La ecuacion del calor unidimensional

    tu(x , t) = a

    2

    x2u(x , t).

    donde

    a > 0 es la constante de difusion,

    u(x , t) es la temperatura en el tiempo t del punto concoordenada espacial x .

    Para determinar de forma unica la solucion, necesitamos masinformacion:

    Que ocurre en los extremos? (i.e. condiciones de contorno?)

    Condiciones iniciales: u(x , 0) =? para cada x .

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Problema de valor inicial de EDOs

    d

    dty = f (t, y),

    y(t0) = y0.

    Datos del problema:1 Tiempo inicial t0,2 Valor inicial y0,3 Lado derecho de la equacion diferencial: f (t, y).

    Solucion: La funcion y(t).

    Resolucion numerica:

    Discretizacion del tiempo: Considerar t0, t1, t2, . . . , tn, dondetk = tk1 + h, con h relativamente pequeno,Calcular aproximaciones yk y(tk) para k = 1, 2, 3, . . . , n.

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Problema de valor inicial de EDOs

    d

    dty = f (t, y),

    y(t0) = y0.

    Datos del problema:1 Tiempo inicial t0,2 Valor inicial y0,3 Lado derecho de la equacion diferencial: f (t, y).

    Solucion: La funcion y(t).

    Resolucion numerica:

    Discretizacion del tiempo: Considerar t0, t1, t2, . . . , tn, dondetk = tk1 + h, con h relativamente pequeno,Calcular aproximaciones yk y(tk) para k = 1, 2, 3, . . . , n.

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Problema de valor inicial de EDOs

    d

    dty = f (t, y),

    y(t0) = y0.

    Datos del problema:1 Tiempo inicial t0,2 Valor inicial y0,3 Lado derecho de la equacion diferencial: f (t, y).

    Solucion: La funcion y(t).

    Resolucion numerica:

    Discretizacion del tiempo: Considerar t0, t1, t2, . . . , tn, dondetk = tk1 + h, con h relativamente pequeno,Calcular aproximaciones yk y(tk) para k = 1, 2, 3, . . . , n.

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Metodo de Euler

    Para k = 0, 1, . . . , n 1

    yk+1 = yk + h f (tk , yk)

    Importante: En el caso de un sistema de EDOs de dimension d ,

    Cada yk es un vector de d componentes ( yk Rd),Para cada (t, y) Rd+1, tenemos f (t, y) Rd .

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Metodo de Euler

    Para k = 0, 1, . . . , n 1

    yk+1 = yk + h f (tk , yk)

    Importante: En el caso de un sistema de EDOs de dimension d ,

    Cada yk es un vector de d componentes ( yk Rd),Para cada (t, y) Rd+1, tenemos f (t, y) Rd .

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Metodo de Euler mejorado

    Para k = 0, 1, . . . , n 1

    yk+1 = yk + h f (tk +h

    2, yk +

    h

    2f (tk , yk))

    Metodo del punto medio explcito

    y1 = y0 + h f (t0 +h

    2, y0 +

    h

    2f (t0, y0))

    y para k = 1, . . . , n 1,

    yk+1 = yk1 + 2h f (tk , yk).

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Metodo de Euler mejorado

    Para k = 0, 1, . . . , n 1

    yk+1 = yk + h f (tk +h

    2, yk +

    h

    2f (tk , yk))

    Metodo del punto medio explcito

    y1 = y0 + h f (t0 +h

    2, y0 +

    h

    2f (t0, y0))

    y para k = 1, . . . , n 1,

    yk+1 = yk1 + 2h f (tk , yk).

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Para sistemas autonomos, es decir de la formad

    dty = f (y),

    Metodo de Euler mejorado

    Para k = 0, 1, . . . , n 1

    yk+1 = yk + h f (yk +h

    2f (yk))

    Metodo del punto medio explcito

    y1 = y0 + h f (y0 +h

    2f (y0))

    y para k = 1, . . . , n 1,

    yk+1 = yk1 + 2h f (yk).

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Para sistemas autonomos, es decir de la formad

    dty = f (y),

    Metodo de Euler mejorado

    Para k = 0, 1, . . . , n 1

    yk+1 = yk + h f (yk +h

    2f (yk))

    Metodo del punto medio explcito

    y1 = y0 + h f (y0 +h

    2f (y0))

    y para k = 1, . . . , n 1,

    yk+1 = yk1 + 2h f (yk).

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Ejercicio

    La EDO de la velocidad del paracaidista

    mdv

    dt= mg + c v2, v(0) = 0,

    donde g = 9.8m/s2, m = 70Kg y c = 0.3, y que queremosaproximar la solucion v(t) para t [0, 30].

    Aproximar la solucion v(t) para t = t0, t1, t2, . . . , tn = 30(donde tk = h k y h = 30/n) utilizando el metodo de Eulercon distintos valores de h. Nuestro objetivo es analizar comose reduce el error cometido segun reducimos h. Para ello,calcular para h = 0.3, h = 0.15, h = 0.075

    Error = max1kn

    |v(tk) vk |.

    Repetir el experimento para el metodo de Euler mejorado.

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Definicion de orden de un metodo

    Supongamos que aplicamos un metodo numerico a un problema devalor inicial

    d

    dty = f (t, y), y(t0) = y0

    para aproximar la solucion y(t) para t [t0,T ], de modo queobtenemos

    yk y(tk), k = 0, 1, 2, . . . , n,

    donde tk = t0 + k h y h = (T t0)/n.El metodo es de orden r si existe C > 0 tal que para cualquierdiscretizacion suficientemente fina

    1

    hrError =

    1

    hrmax1kn

    ||y(tk) yk || C .

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Ejercicio

    Las ecuaciones del pendulo

    d

    dt= , mL

    d

    dt= mg sin() c,

    donde g = 9.8m/s2, L = 1m, m = 1Kg y c = 0.0003, y quequeremos aproximar la solucion y(t) = ((t),(t)) para t [0,T ]con T = 10.

    Aproximar la solucion y(t) para t = t0, t1, t2, . . . , tn = T(donde tk = h k y h = T/n) utilizando el metodo de Eulermejorado con distintos valores de h. Comprobarexperimentalmente que el metodo es de orden 2. Para ello,calcular para h = 0.01, h = 0.005, h = 0.00025

    1

    h2Error =

    1

    h2max1kn

    ||y(tk) yk ||.Repetir el experimento para T = 20.Repetir el experimento para T = 40.

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Implementacion

    Supongamos que tenemos definida en Matlab una funcion (porejemplo, edofun) tal que, dados t R un vector y Rd ,edofun(t, y) devuelve un vector f (t, y) Rd . Dicha funciondetermina un sistema de ecuaciones differenciales de la forma

    d

    dty = f (t, y).

    Sabemos que, dados t0 R y y0 Rd , existe una unica soluciondel sistema que satisfaga la condicion inicial

    y(t0) = y0.

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Implementacion

    Supongamos que tenemos definida en Matlab una funcion (porejemplo, edofun) tal que, dados t R un vector y Rd ,edofun(t, y) devuelve un vector f (t, y) Rd . Dicha funciondetermina un sistema de ecuaciones differenciales de la forma

    d

    dty = f (t, y).

    Sabemos que, dados t0 R y y0 Rd , existe una unica soluciondel sistema que satisfaga la condicion inicial

    y(t0) = y0.

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Ejercicio

    Definir una nueva funcion, digamos EulerModif, que dadost0 R,y0 Rd , h > 0, y n N, devuelve un vector columnaT Rn+1 y una matriz Y R(n+1)d , tales que

    T =

    t0

    t1...

    tn

    , Y

    y(t0)T

    y(t1)T

    ...

    y(tn)T

    ,donde tk = t0 + k h.

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Dado el problema de valor inicial

    d

    dty = f (t, y), y(t0) = y0,

    Para obtener para j = 0, 1, 2, . . . las aproximaciones yj y(tj)(tj = t0 + j h),

    Metodo de Runge-Kutta de orden 4

    k1 = h f (tj , yj),

    k2 = h f (tj +h

    2, yj +

    1

    2k1),

    k3 = h f (tj +h

    2, yj +

    1

    2k2),

    k4 = h f (tj + h, yj + k3),

    yj+1 = yj +1

    6(k1 + 2k2 + 2k3 + k4).

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Dado un sistema autonomo con condicion iniciald

    dty = f (y), y(t0) = y0,

    Para obtener las aproximaciones yj y(tj) (tj = t0 + j h,j = 0, 1, 2, . . .),

    Metodo de Runge-Kutta de orden 4 para sistemas autonomos

    k1 = h f (yj),

    k2 = h f (yj +1

    2k1),

    k3 = h f (yj +1

    2k2),

    k4 = h f (yj + k3),

    yj+1 = yj +1

    6(k1 + 2k2 + 2k3 + k4).

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    RK de orden 5 de Dormand & Prince (ode45)

    Para tj = t0 + j h (j = 0, 1, 2, . . .), y(tj) yj , donde

    k1 = h f (yj)

    k2 = h f (yj +k15)

    k3 = h f (yj +3k140

    +9k240

    )

    k4 = h f (yj +44k145

    56k215

    +32k39

    )

    k5 = h f (yj +19372k16561

    25360k22187

    +64448k36561

    212k4729

    )

    k6 = h f (yj +9017k13168

    355k233

    +46732 k35247

    +49k4176

    5103k518656

    )

    yj+1 = yj +35k1384

    +500k31113

    +125k4192

    2187k56784

    +11k684

    .

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Ejemplo de decaimiento radiactivo

    dy

    dt= 100y , y(0) = 1,

    La solucion exacta es

    y(t) = e100 t .

    Queremos aproximar la solucion para t [0, 100].Aplicar el metodo de Euler, primero con h = 0.019, y despuescon h = 0.021. Comparar graficamente los resultados.Aplicar el integrador ode45 con longitud de paso constante,primero con h = 0.02, y despues con h = 0.04, yrepresentarlas graficamente en una misma figura.Aplicar el integrador ode45 con tolerancia absoluta y relativatol, primero con tol = 103, Y despues con tol = 104.Comparar el coste computacional y el error cometido.

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Problema test de estabilidad lineal

    y = y , y(0) = 1,

    donde es una constante.

    La solucion exacta es y(t) = e t , y si < 0,

    limt y(t) = 0.

    Aplicacion del metodo de Euler

    y(n h) yn = (1 + h ) yn1, y0 = 1.

    Es decir yn = (1 + h )n

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Problema test de estabilidad lineal

    y = y , y(0) = 1,

    donde es una constante.

    La solucion exacta es y(t) = e t , y si < 0,

    limt y(t) = 0.

    Aplicacion del metodo de Euler

    y(n h) yn = (1 + h ) yn1, y0 = 1.

    Es decir yn = (1 + h )n

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Aplicacion del metodo de Euler

    y(n h) yn = (1 + h ) yn1, y0 = 1.

    Es decir yn = (1 + h )n.

    Inestabilidad: Si |1 + h| > 1, entonces limn |yn| =. Por

    ejemplo, si = 100 y h = 0.009, |1 + h | = 1.1, y por tanto

    limn |yn| = limn(1.1)

    n =.

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Aplicacion del metodo de Euler

    y(n h) yn = (1 + h ) yn1, y0 = 1.

    Es decir yn = (1 + h )n.

    Inestabilidad: Si |1 + h| > 1, entonces limn |yn| =.

    Por

    ejemplo, si = 100 y h = 0.009, |1 + h | = 1.1, y por tanto

    limn |yn| = limn(1.1)

    n =.

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Aplicacion del metodo de Euler

    y(n h) yn = (1 + h ) yn1, y0 = 1.

    Es decir yn = (1 + h )n.

    Inestabilidad: Si |1 + h| > 1, entonces limn |yn| =. Por

    ejemplo, si = 100 y h = 0.009, |1 + h | = 1.1, y por tanto

    limn |yn| = limn(1.1)

    n =.

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Ejemplo de muelle rgido con masa puntual (oscilador armonico)

    x = 1000000(x 1), x(0) = 1.1, x (0) = 0.La solucion exacta es

    x(t) = 1 + cos(1000 t).

    Queremos aproximar la solucion para t [0, 1].Aplicar el metodo de Euler, primero con h = 0.01, y despuescon h = 0.001. Comparar graficamente los resultados.Aplicar el integrador ode45 con longitud de paso constante,primero con h = 0.0009, y despues con h = 0.0011, yrepresentarlas graficamente en una misma figura.Aplicar el integrador ode45 con tolerancia absoluta y relativatol, primero con tol = 104, Y despues con tol = 103.Comparar el coste computacional y el error cometido.

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    La ecuacion de segundo orden del oscilador armonico se puedereescribir, con el cambio de variable u = x 1, y anadiendo lavariable v = x = u, como

    u = v , v = 1000000u, u(0) = 0.1, v(0) = 0. (1)

    Ejercicio

    Encontrar un cambio de variable de la forma

    u = a1,1y + a1,2z , v = a2,1y + a2,2z ,

    que transforma el sistema (1) en dos ecuaciones independientes

    y = y , z = z .

    Cuales son concretamente los valores , ?

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Version general del test de estabilidad lineal

    y = y , y(0) = 1,

    donde C.La solucion exacta es y(t) = e t , y

    Si Re() < 0, limt y(t) = 0,

    Si Re() > 0, limt |y(t)| =,

    Si Re() = 0 ( imaginario puro), entonces |y(t)| 1 (t).

    Aplicacion del metodo de Euler

    y(n h) yn = (1 + h ) yn1, y0 = 1.

    Es decir yn = (1 + h )n.

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Version general del test de estabilidad lineal

    y = y , y(0) = 1,

    donde C.La solucion exacta es y(t) = e t , y

    Si Re() < 0, limt y(t) = 0,

    Si Re() > 0, limt |y(t)| =,

    Si Re() = 0 ( imaginario puro), entonces |y(t)| 1 (t).Aplicacion del metodo de Euler

    y(n h) yn = (1 + h ) yn1, y0 = 1.

    Es decir yn = (1 + h )n.

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Aplicacion del metodo de Euler

    y(n h) yn = (1 + h ) yn1, y0 = 1.

    Es decir yn = (1 + h )n.

    Inestabilidad: Si |1 + h| > 1, entonces

    limn |yn| =.

    Por ejemplo, si = 100i y h = 0.009, |1 + h | = 1 + 0.9i , y portanto, puesto que |1 + 0.9i | = 1.81 > 1,

    limn |yn| = limn(

    1.81)n =.

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Aplicacion del metodo de Euler

    y(n h) yn = (1 + h ) yn1, y0 = 1.

    Es decir yn = (1 + h )n.

    Inestabilidad: Si |1 + h| > 1, entonces

    limn |yn| =.

    Por ejemplo, si = 100i y h = 0.009, |1 + h | = 1 + 0.9i , y portanto, puesto que |1 + 0.9i | = 1.81 > 1,

    limn |yn| = limn(

    1.81)n =.

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Aplicacion del metodo de Euler

    y(n h) yn = (1 + h ) yn1, y0 = 1.

    Es decir yn = (1 + h )n.

    Inestabilidad: Si |1 + h| > 1, entonces

    limn |yn| =.

    Por ejemplo, si = 100i y h = 0.009, |1 + h | = 1 + 0.9i , y portanto, puesto que |1 + 0.9i | = 1.81 > 1,

    limn |yn| = limn(

    1.81)n =.

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Si aplicamos el metodo de Runge-Kutta de orden 5 de Dormand &Prince (Dopri5, ode45) al problema test

    y = y , y(0) = 1,

    donde C, las aproximaciones yn y(n h) = en,h que seobtienen son

    yn = R(h )n

    Funcion de estabilidad lineal de DOPRI5 (ode45)

    R(z) = 1 + z +z2

    2+

    z3

    6+

    z4

    24+

    z5

    120+

    z6

    600

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    La solucion numerica sera estable si h pertenece a la

    Region de estabilidad lineal de DOPRI5 (ode45)

    {z C / |R(z)| 1}

    -4 -2 0 2

    -4

    -2

    0

    2

    4

    rk46.ma 1

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Dado un problema de valor inicial de EDOs

    d

    dty = f (t, y), y(t0) = y0,

    y fijada una discretizazion tn = t0 + n h del tiempo, paran = 0, 1, 2, . . ., se pueden obtener las aproximaciones

    yn y(tn)

    por medio del

    Metodo de Euler implcito

    yn = yn1 + h f (tn, yn)

    Precision: Es un metodo de orden 1.

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Dado un problema de valor inicial de EDOs

    d

    dty = f (t, y), y(t0) = y0,

    y fijada una discretizazion tn = t0 + n h del tiempo, paran = 0, 1, 2, . . ., se pueden obtener las aproximaciones

    yn y(tn)

    por medio del

    Metodo de Euler implcito

    yn = yn1 + h f (tn, yn)

    Precision: Es un metodo de orden 1.

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    El metodo de Euler implcito aplicado al problema test

    y = y , y(0) = 1,

    (donde C), da la solucion numerica

    yn = R(h)n, donde R(z) =

    1

    1 z .

    Region de estabilidad lineal

    {z C / |R(z)| 1} = {z C / |z 1| 1}

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Metodo del trapecio

    yn = yn1 +h

    2(f (tn1, yn1) + f (tn, yn))

    Precision: Es un metodo de orden 2.Aplicado al problema test de estabilidad lineal, se obtiene

    yn = R(h)n, donde R(z) =

    1 + 12z

    1 12z.

    Region de estabilidad lineal

    {z C / |R(z)| 1} = {z C / Re(z) 0}.

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Metodo del trapecio

    yn = yn1 +h

    2(f (tn1, yn1) + f (tn, yn))

    Precision: Es un metodo de orden 2.

    Aplicado al problema test de estabilidad lineal, se obtiene

    yn = R(h)n, donde R(z) =

    1 + 12z

    1 12z.

    Region de estabilidad lineal

    {z C / |R(z)| 1} = {z C / Re(z) 0}.

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Metodo del trapecio

    yn = yn1 +h

    2(f (tn1, yn1) + f (tn, yn))

    Precision: Es un metodo de orden 2.Aplicado al problema test de estabilidad lineal, se obtiene

    yn = R(h)n, donde R(z) =

    1 + 12z

    1 12z.

    Region de estabilidad lineal

    {z C / |R(z)| 1} = {z C / Re(z) 0}.

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Metodo de Gauss de orden 4

    yn = yn1 +h

    2(f (tn1 + c1h,Z1) + f (tn1 + c2h,Z2)),

    donde Z1 y Z2 estan definidos de forma implcita por medio de

    Z1 = yn1 + h (a11 f (tn1 + c1h,Z1) + a12 f (tn1 + c2h,Z2)),Z2 = yn1 + h (a21 f (tn1 + c1h,Z1) + a22 f (tn1 + c2h,Z2)),

    con los coeficientes

    a11 = a22 =1

    4, a12 =

    1

    43

    6, a21 =

    1

    4+

    3

    6,

    y c1 = a11 + a21, c2 = a21 + a22.

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    El metodo de Gauss de orden 4 aplicado al problema test deestabilidad lineal y = y , y(0) = 1:

    yn = R(h)n, donde R(z) =

    1 + z2 +z2

    12

    1 z2 + z2

    12

    .

    Region de estabilidad lineal

    {z C / |R(z)| 1} = {z C / Re(z) 0}.

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Metodo de BDF de orden 2

    2

    3yn 2yn1 + 1

    2yn2 = h f (tn, yn).

    Metodo de BDF de orden 3

    11

    6yn 3yn1 + 3

    2yn2 1

    3yn3 = h f (tn, yn).

    Metodo de BDF de orden 4

    25

    12yn 4yn1 + 3yn2 4

    3yn3 +

    1

    4yn4 = h f (tn, yn).

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Metodo de BDF de orden 2

    2

    3yn 2yn1 + 1

    2yn2 = h f (tn, yn).

    Metodo de BDF de orden 3

    11

    6yn 3yn1 + 3

    2yn2 1

    3yn3 = h f (tn, yn).

    Metodo de BDF de orden 4

    25

    12yn 4yn1 + 3yn2 4

    3yn3 +

    1

    4yn4 = h f (tn, yn).

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Metodos elementales e implementacion basicaEjemplos de metodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Metodo de BDF de orden 2

    2

    3yn 2yn1 + 1

    2yn2 = h f (tn, yn).

    Metodo de BDF de orden 3

    11

    6yn 3yn1 + 3

    2yn2 1

    3yn3 = h f (tn, yn).

    Metodo de BDF de orden 4

    25

    12yn 4yn1 + 3yn2 4

    3yn3 +

    1

    4yn4 = h f (tn, yn).

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Supongamos que tenemos una barra fina aislada termicamente delexterior, excepto posiblemente por los extremos.

    La ecuacion del calor unidimensional

    tu(x , t) = a

    2

    x2u(x , t).

    donde

    a > 0 es la constante de difusion,

    u(x , t) es la temperatura en el tiempo t del punto concoordenada espacial x .

    Que ocurre en los extremos? Es decir, cuales son lascondiciones de contorno? Ejemplo: u(0, t) = 0 = u(1, t) paratodo t.Condiciones iniciales: u(x , 0) =? para cada x .

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Supongamos que tenemos una barra fina aislada termicamente delexterior, excepto posiblemente por los extremos.

    La ecuacion del calor unidimensional

    tu(x , t) = a

    2

    x2u(x , t).

    donde

    a > 0 es la constante de difusion,

    u(x , t) es la temperatura en el tiempo t del punto concoordenada espacial x .

    Que ocurre en los extremos? Es decir, cuales son lascondiciones de contorno?

    Ejemplo: u(0, t) = 0 = u(1, t) paratodo t.Condiciones iniciales: u(x , 0) =? para cada x .

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Supongamos que tenemos una barra fina aislada termicamente delexterior, excepto posiblemente por los extremos.

    La ecuacion del calor unidimensional

    tu(x , t) = a

    2

    x2u(x , t).

    donde

    a > 0 es la constante de difusion,

    u(x , t) es la temperatura en el tiempo t del punto concoordenada espacial x .

    Que ocurre en los extremos? Es decir, cuales son lascondiciones de contorno? Ejemplo: u(0, t) = 0 = u(1, t) paratodo t.

    Condiciones iniciales: u(x , 0) =? para cada x .

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Supongamos que tenemos una barra fina aislada termicamente delexterior, excepto posiblemente por los extremos.

    La ecuacion del calor unidimensional

    tu(x , t) = a

    2

    x2u(x , t).

    donde

    a > 0 es la constante de difusion,

    u(x , t) es la temperatura en el tiempo t del punto concoordenada espacial x .

    Que ocurre en los extremos? Es decir, cuales son lascondiciones de contorno? Ejemplo: u(0, t) = 0 = u(1, t) paratodo t.Condiciones iniciales: u(x , 0) =? para cada x .

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    La ecuacion del calor bidimensional

    tu(x , y , t) = a

    (2

    x2u(x , y , t) +

    2

    y2u(x , y , t)

    ).

    donde

    a > 0 es la constante de difusion,

    u(x , y , t) es la temperatura en el tiempo t del punto concoordenadas cartesianas (x , y).

    Que forma tiene la placa? Es decir, como es su contorno?

    Que ocurre en los puntos del contorno? Es decir, cuales sonlas condiciones de contorno? Ejemplo: u(x , y , t) = 0 paratodo t en cualquier punto (x , y) de su contorno.

    Condiciones iniciales: u(x , y , 0) =? para cada (x , y).

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    La ecuacion del calor bidimensional

    tu(x , y , t) = a

    (2

    x2u(x , y , t) +

    2

    y2u(x , y , t)

    ).

    donde

    a > 0 es la constante de difusion,

    u(x , y , t) es la temperatura en el tiempo t del punto concoordenadas cartesianas (x , y).

    Que forma tiene la placa? Es decir, como es su contorno?

    Que ocurre en los puntos del contorno? Es decir, cuales sonlas condiciones de contorno?

    Ejemplo: u(x , y , t) = 0 paratodo t en cualquier punto (x , y) de su contorno.

    Condiciones iniciales: u(x , y , 0) =? para cada (x , y).

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    La ecuacion del calor bidimensional

    tu(x , y , t) = a

    (2

    x2u(x , y , t) +

    2

    y2u(x , y , t)

    ).

    donde

    a > 0 es la constante de difusion,

    u(x , y , t) es la temperatura en el tiempo t del punto concoordenadas cartesianas (x , y).

    Que forma tiene la placa? Es decir, como es su contorno?

    Que ocurre en los puntos del contorno? Es decir, cuales sonlas condiciones de contorno? Ejemplo: u(x , y , t) = 0 paratodo t en cualquier punto (x , y) de su contorno.

    Condiciones iniciales: u(x , y , 0) =? para cada (x , y).

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    La ecuacion del calor bidimensional

    tu(x , y , t) = a

    (2

    x2u(x , y , t) +

    2

    y2u(x , y , t)

    ).

    donde

    a > 0 es la constante de difusion,

    u(x , y , t) es la temperatura en el tiempo t del punto concoordenadas cartesianas (x , y).

    Que forma tiene la placa? Es decir, como es su contorno?

    Que ocurre en los puntos del contorno? Es decir, cuales sonlas condiciones de contorno? Ejemplo: u(x , y , t) = 0 paratodo t en cualquier punto (x , y) de su contorno.

    Condiciones iniciales: u(x , y , 0) =? para cada (x , y).

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Siguiendo con el ejemplo anterior:

    El conjunto de puntos (x , y) de la placa se conoce como eldominio del problema.

    La frontera de se denota como .

    Una condicion de contorno tpica es u(x , y , t) = Cte paratodo x .

    Ejemplo

    = {(x , y) R2 / 0 x 1, 0 y 1}Condiciones de contorno: u(x , y , t) = 0 si (x , y) Condiciones iniciales:

    u(x , y , 0) =

    {1 si x2 + y2 < 2/5,

    0 si x2 + y2 2/5,

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Siguiendo con el ejemplo anterior:

    El conjunto de puntos (x , y) de la placa se conoce como eldominio del problema.

    La frontera de se denota como .

    Una condicion de contorno tpica es u(x , y , t) = Cte paratodo x .

    Ejemplo

    = {(x , y) R2 / 0 x 1, 0 y 1}Condiciones de contorno: u(x , y , t) = 0 si (x , y) Condiciones iniciales:

    u(x , y , 0) =

    {1 si x2 + y2 < 2/5,

    0 si x2 + y2 2/5,

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Familias de metodos para la discretizacion espacial

    Diferencias finitas (basados en formulas de derivacion),

    Elementos finitos (FEM),

    Metodos de tipo espectral,

    . . .

    Formulas de derivacion numerica

    Para aproximar derivadas primeras

    f (x) f (x +x) f (x x)2x

    = f (x) +O(x2)

    Para aproximar derivadas segundas

    f (x) f (x +x) 2f (x) + f (x x)x2

    = f (x) +O(x2)

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    La ecuacion de ondas lineal

    2

    t2u(x , y , t) = a

    (2

    x2u(x , y , t) +

    2

    y2u(x , y , t)

    ).

    donde

    a > 0 es la constante de elasticidad,

    u(x , y , t) es la altura de la placa en el punto con coordenadascartesianas (x , y).

    Condiciones iniciales: u(x , y , 0) = u0(x , y),t u(x , y , 0) = v0(x , y)

    Condiciones de contorno tpica: u(x , y , t) = 0 para(x , y)

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    La ecuacion de ondas no-lineal

    2

    t2u(x , y , t) = a

    (2

    x2u(x , y , t) +

    2

    y2u(x , y , t)

    )+ f (u).

    donde

    a > 0 es la constante de elasticidad,

    u(x , y , t) es la altura de la placa en el punto con coordenadascartesianas (x , y),

    f (u) es el termino no lineal. Ejemplos: b u2, b sin(u) (b R),Condiciones iniciales y de contorno como en la ecuacion lineal.

  • Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasResolucion numerica de problemas de valor inicial de EDOs

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Ejemplo

    = {(x , y) R2 / 0 x 1, 0 y 1}Condiciones de contorno: u(x , y , t) = 0 si (x , y) Condiciones iniciales:

    u(x , y , 0) = arctan(sin(pix) sin(piy)),

    v(x , y , 0) = 3 sin(pix) sin(piy)esin(piy).

    Ejemplos de ecuaciones diferenciales ordinariasEcuaciones de primer ordenEcuaciones de segundo ordenSistemas de ecuaciones de primer ordenEcuaciones diferenciales en derivadas parciales

    Resolucin numrica de problemas de valor inicial de EDOsMtodos elementales e implementacin bsicaEjemplos de mtodos de Runge-Kutta y aplicacionesProblemas stiff

    Ecuaciones diferenciales en derivadas parciales