四阶Runge-Kutta数学原理

给定常微分方程初值问题

{dydx=f(x,y),a≤x≤by(a)=αh=b−aN\left\{ \begin{matrix} \frac{\text{dy}}{\text{dx}} = f(x,y),a \leq x \leq b \\ \ y(a) = \alpha\text{\;\;\quad\;h} = \frac{b - a}{N} \\ \end{matrix} \right.\ {dxdy=f(x,y),a≤x≤b y(a)=αh=Nb−a

记xn=a+n⋅hx_{n} = a + n \cdot hxn=a+n⋅h，n=0,1,⋯,Nn = 0,1,\cdots,Nn=0,1,⋯,N，利用四阶龙格—库塔方法

K1=hf(xn,yn)K_{1} = hf\left( x_{n},y_{n} \right) K1=hf(xn,yn)

K2=hf(xn+h2,yn+K12)K_{2} = hf\left( x_{n} + \frac{h}{2},y_{n} + \frac{K_{1}}{2} \right) K2=hf(xn+2h,yn+2K1)

K3=hf(xn+h2,yn+K22)K_{3} = hf\left( x_{n} + \frac{h}{2},y_{n} + \frac{K_{2}}{2} \right) K3=hf(xn+2h,yn+2K2)

K4=hf(xn+h,yn+K3)K_{4} = hf\left( x_{n} + h,y_{n} + K_{3} \right) K4=hf(xn+h,yn+K3)

yn+1=yn+16(K1+2K2+2K3+K4)y_{n + 1} = y_{n} + \frac{1}{6}(K_{1} + 2K_{2} + 2K_{3} + K_{4}) yn+1=yn+61(K1+2K2+2K3+K4)

n=0,1,⋯,N−1n = 0,1,\cdots,N - 1 n=0,1,⋯,N−1

可逐次求出微分方程初值问题的数值解yny_{n}yn，n=1,2,⋯,Nn = 1,2,\cdots,Nn=1,2,⋯,N。

程序流程

核心代码

#include <cmath>
#include <cstdio>
#include <iostream>
using namespace std;int n;
double a, b, fa;double f(double x, double y) { return -y * y; }
double f_(double x) { return 1.0 / (x + 1.0); }int main() {scanf("%lf%lf%lf%d", &a, &b, &fa, &n);double x = a, y = fa, h = (b - a) / n;for (int i = 1; i <= n; i++) {double k1 = h * f(x, y);double k2 = h * f(x + h / 2, y + k1 / 2);double k3 = h * f(x + h / 2, y + k2 / 2);double k4 = h * f(x + h, y + k3);x += h;y += 1.0 / 6.0 * (k1 + 2 * k2 + 2 * k3 + k4);printf("%.2lf\t%lf\t%.2lf\n", x, y, fabs(f_(x) - y));}return 0;
}

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