MATLAB偏微分方程求解完整ppt课件

.,1,题目：用MATLAB求解偏微分方程,主讲人：班级：时间：,.,2,基础知识预习,微分方程的求解包含：常微分方程的求解（上节课已经讲过）这里不再赘述。：偏微分方程的求解（本次教学内容）,.,3,偏微分方程概念,偏微分方程（PartialDifferentialEquation，简称PDE）指含有未知函数及其偏导数的方程。描述自变量、未知函数及其偏导数之间的关系。偏微分方程分为线性偏微分方程式与非线性偏微分方程式，常常有几个解而且涉及额外的边界条件。,常微分方程：在微分方程中，若自变量的个数只有一个的微分方程。偏微分方程：自变量的个数有两个或两个以上的微分方程。,.,4,求解偏微分方程的方法,求解偏微分方程的数值方法：1.有限元法（FiniteElementMethod,FEM）-hp-FEM2.有限体积法（FiniteVolumeMethod,FVM）3.有限差分法（FiniteDifferenceMethod,FDM）。其它：广义有限元法（GeneralizedFiniteElementMethod,FFEM）、扩展有限元法（eXtendedFiniteElementMethod,XFEM）、无网格有限元法（MeshfreeFiniteElementMethod）、离散迦辽金有限元法（DiscontinuousGalerkinFiniteElementMethod,DGFEM）等。,.,5,MATLAB解偏微分方程,MATLAB提供了两种方法解决PDE问题：pdepe()函数，它可以求解一般的PDEs，具有较大的通用性，但只支持命令行形式调用。PDE工具箱，可以求解特殊PDE问题，PDEtool有较大的局限性，比如只能求解二阶PDE问题，并且不能解决偏微分方程组，但是它提供了GUI界面，从繁杂的编程中解脱出来了，同时还可以通过File-SaveAs直接生成M代码使用pdeval()直接计算某个点的函数值？,.,6,一般偏微分方程组(PDEs)的MATLAB求解,直接求解一般偏微分方程(组)，它的调用格式为sol=pdepe(m,pdefun,pdeic,pdebc,x,t),问题描述函数,初值条件,边界条件,输出参数,自变量,参数,.,7,【输入参数】（1）,pdefun：是PDE的问题描述函数，它必须换成下面的标准形式PDE就可以编写下面的入口函数c,f,s=pdefun(x,t,u,du)m,x,t就是对应于(式1)中相关参数和自变量，du是u的一阶导数，由给定的输入变量即可表示出出c,f,s这三个函数,.,8,【输入参数】（2）,pdeic：是PDE的初值条件，必须化为下面的形式我们使用下面的简单的函数来描述为u0=pdeic(x),.,9,【输入参数】（3）,pdebc：是PDE的边界条件描述函数，必须先化为下面的形式于是边值条件可以编写下面函数描述为pa,qa,pb,qb=pdebc(x,t,u,du)其中a表示下边界，b表示下边界,.,10,【输入参数】（4）,m：就是对应于(式1)中相关参数x,t：就是对应于(式1)中自变量,.,11,【输出参数】,sol：是一个三维数组，sol(:,:,i)表示ui的解，换句话说uk对应x(i)和t(j)时的解为sol(i,j,k),.,12,实例讲解（题目）,例：,.,13,初值条件,边界条件,.,14,实例讲解（解法）,【解】第一步根据（1）对照给出的偏微分方程，则原方程可以改写为,.,15,输入参数（1）目标PDE函数,%目标PDE函数functionc,f,s=pdefun(x,t,u,du)c=1;1;f=0.024*du(1);0.17*du(2);temp=u(1)-u(2);s=-1;1.*(exp(5.73*temp)-exp(-11.46*temp);,.,16,输入参数（2）初值条件,初值条件改写为%初值条件函数functionu0=pdeic(x)u0=1;0;,.,17,输入参数（3）边界条件,边界条件改写为%边界条件函数functionpa,qa,pb,qb=pdebc(xa,ua,xb,ub,t)%a表示左边界，b表示右边界pa=0;ua(2);qa=1;0;pb=ub(1)-1;0;qb=0;1;,.,18,（4）主调函数,clcx=0:0.05:1;t=0:0.05:2;m=0;sol=pdepe(m,pdefun,pdeic,pdebc,x,t);figure(numbertitle,off,name,PDEDemobyMatlabsky)%创建个窗口，窗口名字是name后边的名字NumberTitle,off是关掉默认显示名字。subplot(211)surf(x,t,sol(:,:,1)%sol(:,:,i)表示ui的解title(TheSolutionofu_1)xlabel(X)ylabel(T)zlabel(U)subplot(212)surf(x,t,sol(:,:,2)%sol(:,:,i)表示ui的解title(TheSolutionofu_2)xlabel(X)ylabel(T)zlabel(U),.,19,.,20,PDEtool求解特殊PDE问题,MATLAB的偏微分工具箱(PDEtoolbox)可以比较规范的求解各种常见的二阶偏微分方程(特殊二阶的PDE),.,21,典型偏微分方程的描述,.,22,.,23,（3）双曲线型偏微分方程的一般形式,.,24,（4）特征值型偏微分方程的一般形式，注意它是（1）的变形，不能算独立的一类,.,25,MATLAB采用有限元的方法求解各种PDE,MATLAB为我们提供一个pdetool(在commandwindow中键输pdetool打开)的交互界面，可以求解二元偏微分u(x1,x2)(注意只能求解二元)。方程的参数由a、c、d和f确定，求解域由图形确定，求解域确定好后，需要对求解域进行栅格化(这个是自动)。,.,26,.,27,.,28,偏微分方程边界条件的描述,Dirichlet(狄利克莱)条件Neumann(纽曼)条件,.,29,.,30,.,31,求解实例,.,32,【解】由给定的PDE，可以得出d=1,c=1,a=2,f=10,.,33,step1:点击工具栏的【PDE】按钮，如下输入PDE的参数，注意选择Hyperbolic,.,34,step2:绘制求解域对坐标轴的操作可以在【Options】主菜单中操作，包括设置网格、坐标系范围等,(1)【Options】-AxisLimits设置如下,.,35,.,36,(2)点击工具栏上的第三个按钮【绘制椭圆】，任意绘制一个椭圆，双击椭圆，设置如下,.,37,重复上面的操作，参数如下,.,38,得到,.,39,(3)在setformula中如下输入，“+”表示求并集，“-”表示求差集，注意没有直接求交接的操作符,.,40,step3:边界条件和初值条件,初值条件可以通过【Solve】-【Parameters】设置边值条件设置如下(1)点击工具栏的第6个按钮【区域边界】，显示如下,.,41,(2)【Boundary】-【RemoveAllSubdomainBorders】移除所有子域的边界，将得到所有子域合并成一个求解域(3)【Boundary】-【SecifyBoundaryConditons】设置边界如下，注意我们这里只有Dirichlet条件,.,42,step4:生成使用有限元方法求解方程所需的栅格,点击工具栏的第8/9个按钮，对求解域生成栅格，多次点击可以在原来基础上继续细化栅格，直到自己觉得满意为止，当然可以通过【Mesh】主菜单进行精确控制,.,43,step5:求解方程点解工具栏的第10个按钮“=”【求解方程】step6:求解结果绘图点击第11个按钮【绘制图形】，里面的选项很丰富，可以绘制等高线等好多，甚至播放动画，具体大家可以自己慢慢摸索,.,44,动画播放设置：,(1)【Solve】-【Parameters】设置合适的时间向量Time(2)【Plot】-【Parameters】选中【Anima