étodos uméricos RESOLUÇÃO NUMÉRICA DE EQUAÇÕES DIFERENCIAIS (Continuação) Prof. Erivelton Geraldo Nepomuceno

Documentos relacionados
étodos uméricos INTERPOLAÇÃO, EXTRAPOLAÇÃO, APROXIMAÇÃO E AJUSTE DE FUNÇÕES Prof. Erivelton Geraldo Nepomuceno

étodos uméricos SISTEMAS DE EQUAÇÕES LINEARES (Continuação) Prof. Erivelton Geraldo Nepomuceno PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

étodos uméricos INTEGRAÇÃO NUMÉRICA Prof. Erivelton Geraldo Nepomuceno PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

étodos uméricos DERIVAÇÃO NUMÉRICA Prof. Erivelton Geraldo Nepomuceno PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

étodos uméricos SOLUÇÃO NUMÉRICA DE EQUAÇÕES DIFERENCIAIS ORDINÁRIOAS Prof. Erivelton Geraldo Nepomuceno

étodos uméricos SISTEMAS DE EQUAÇÕES LINEARES (Continuação) Prof. Erivelton Geraldo Nepomuceno PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

étodos uméricos MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS Prof. Erivelton Geraldo Nepomuceno PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

étodos uméricos AJUSTE DE FUNÇÕES Prof. Erivelton Geraldo Nepomuceno PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

étodos uméricos ZEROS DE FUNÇÕES DE UMA OU MAIS VARIÁVEIS Prof. Erivelton Geraldo Nepomuceno PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

étodos uméricos SISTEMAS DE EQUAÇÕES LINEARES (Continuação) Prof. Erivelton Geraldo Nepomuceno PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

Modelagem Computacional. Parte 8 2

étodos uméricos INTEGRAÇÃO NUMÉRICA (Continuação) Prof. Erivelton Geraldo Nepomuceno PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

Universidade de Coimbra Departamento de Engenharia Electrotecnica e Computadores Matemática Computacional

étodos uméricos SISTEMAS DE EQUAÇÕES LINEARES (Continuação) Prof. Erivelton Geraldo Nepomuceno PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

MAP Primeiro exercício programa Método de Diferenças Finitas para solução de problemas de contorno de equações diferenciais ordinárias

Problemas com Valores de Fronteira para Equações Diferenciais Ordinárias

Métodos Numéricos em Equações Diferenciais Aula 02 - Método de Euler

étodos uméricos Erros Visão Geral Prof. Erivelton Geraldo Nepomuceno PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

Aula 3 Volumes Finitos

Modelagem Computacional. Aula 9 2

étodos uméricos ZEROS DE FUNÇÕES Prof. Erivelton Geraldo Nepomuceno PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

Métodos Iterativos para a Solução da Equação de Poisson

MAP Exercício programa Data de entrega: 21/11/2012

Capítulo 3 - Problemas com Valores de Fronteira para Equações Diferenciais Ordinárias

Equações Diferenciais Ordinárias

Solução Numérica de EDOs

Equações diferenciais ordinárias

étodos uméricos MÉTODOS SEM MALHA MESHLESS Prof. Erivelton Geraldo Nepomuceno PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

Método de Diferenças Finitas

3.6 Erro de truncamento da interp. polinomial.

4 Modelagem Numérica. 4.1 Método das Diferenças Finitas

O Método de Diferenças Finitas

Universidade de Coimbra Departamento de Engenharia Electrotecnica e Computadores Matemática Computacional

étodos uméricos MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS Prof. Erivelton Geraldo Nepomuceno PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

Adérito Araújo. Gonçalo Pena. Adérito Araújo. Adérito Araújo. Gonçalo Pena. Método da Bissecção. Resolução dos exercícios 2.14, 2.15, 2.16 e 2.17.

Diogo Pinheiro Fernandes Pedrosa

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC

Andréa Maria Pedrosa Valli

Modelagem Computacional. Parte 3 2

Métodos de Runge-Kutta

Introdução aos Métodos Numéricos

Equações Diferenciais Ordinárias

1. Converta os seguintes números decimais para sua forma binária: (a) 22 (b) 255 (c) 256 (d) 0.11 (e) (f)

Modelagem Computacional. Aula 5 2

Análise da estabilidade do método explícito para discretização de equações diferenciais parabólicas por meio de diferenças finitas

sica- Matemática tica e a equação diferencial parcial que descreve o fluxo de calor

Algoritmos Numéricos I. Lucia Catabriga 1

Erros nas aproximações numéricas

ANÁLISE MATEMÁTICA IV

6 MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS - MEF

Setor de Tecnologia - TC Engenharia Ambiental Avaliação 1. Matemática Aplicada II

Universidade Federal do Pará Instituto de Tecnologia. Cálculo III. Campus de Belém Curso de Engenharia Mecânica

Linearização do Sistema resultante da

Métodos multi-malhas aplicados à equação de Poisson bidimensional

Setor de Tecnologia - TC Engenharia Ambiental Prova Final. Matemática Aplicada II

Introdução ao Curso de Algoritmos Numéricos II /

Exercícios de MATEMÁTICA COMPUTACIONAL. 1 0 Semestre de 2009/2010 Resolução Numérica de Equações Não-Lineares

Disciplina: Cálculo Numérico IPRJ/UERJ. Sílvia Mara da Costa Campos Victer. Aula 6 - Solução de Sistema de Equações Algébricas

Capítulo 4 - Equações Diferenciais às Derivadas Parciais

Aula 5 O Método dos Volumes Finitos

Comparação entre métodos de resolução de sistemas aplicados à discretização da equação de Poisson via diferenças finitas exponencial

Lista de Exercícios 3 e soluções

SUMÁRIO PARTE 1 MODELAGEM, COMPUTADORES E ANÁLISE DE ERROS 3. PT1.1 Motivação... 3 Pt1.2 Fundamentos Matemáticos... 5 Pt1.3 Orientação...

MOVIMENTO AO LONGO DE UM EIXO

Laboratório de Simulação Matemática. Parte 3 2

Colegiado do Mestrado em Informática - UFES/CT Disciplina: Elementos Finitos - 11/2

Cálculo Diferencial e Integral C. Me. Aline Brum Seibel

Andréa Maria Pedrosa Valli

Capítulo 7 - Equações Diferenciais Ordinárias

Universidade Tecnológica Federal do Paraná

Sistemas de equações lineares

Renato Martins Assunção

Neste capítulo estamos interessados em resolver numericamente a equação

INTRODUÇÃO AOS MÉTODOS NUMÉRICOS. Solução de Sistemas Lineares

Aula 4 Otimização e Discretização

GOVERNO FEDERAL MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO VALE DO SÃO FRANCISCO CÂMPUS JUAZEIRO/BA COLEG. DE ENG.

Interpolação Polinomial. Ana Paula

Métodos Numéricos. Turma CI-202-X. Josiney de Souza.

A TRANSFORMADA DE LAPLACE E ALGUMAS APLICAÇÕES. (UFG) RESUMO

Uma breve introdução ao Curso de Computação Científica / Algoritmos Numéricos II

Cálculo Numérico P2 EM33D

Matemática Computacional - Exercícios

Equações diferenciais ordinárias

Cálculo Numérico IPRJ/UERJ. Sílvia Mara da Costa Campos Victer ÍNDICE. Aula 4- Diferenciação numérica: - Fórmulas de diferença avançada e recuada

Cálculo Numérico Ponto Fixo

Interpolação polinomial

Métodos Numéricos - Notas de Aula

Dada uma função contínua a(t) definida num intervalo I = [0, T ], considere o problema x = a(t) x, x(0) = x 0. (1) Solução do Problema. 0 a(s) ds.

MÉTODOS NEWTON E QUASE-NEWTON PARA OTIMIZAÇÃO IRRESTRITA

Capítulo 6 - Integração e Diferenciação Numérica

1 A Equação Fundamental Áreas Primeiras definições Uma questão importante... 7

Um modelo do Método dos Volumes Finitos com malha não estruturada

Capítulo 7: Equações Diferenciais Ordinárias. 1. Problema de valor inicial

MAP Segundo exercício programa Splines cúbicos

26 a 28 de maio de 2010 Associação Brasileira de Métodos Computacionais em Engenharia

Diferenciais Parciais

7 Equações Diferenciais. 7.1 Classificação As equações são classificadas de acordo como tipo, a ordem e a linearidade.

Lista de exercícios de MAT / I

CÁLCULO NUMÉRICO. Profa. Dra. Yara de Souza Tadano

Transcrição:

étodos uméricos RESOLUÇÃO NUMÉRICA DE EQUAÇÕES DIFERENCIAIS (Continuação) Prof. Erivelton Geraldo Nepomuceno PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA UNIVERSIDADE DE JOÃO DEL-REI PRÓ-REITORIA DE PESQUISA CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE MINAS GERAIS DIRETORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO 2016

Conteúdo Problemas com condições de fronteira Método das diferenças finitas

Problemas com Condições de Fronteira É comum o estudo de equações diferenciais ordinárias no contexto dos sistema dinâmicos em que a variável independente natural é o tempo. Pode-se também considerar o estudo orientado para regimes estacionários para determinar a distribuição espacial de uma grandeza. Exemplo: Um problema comum em Engenharia Civil tem a ver com a deflexão de uma barra de seção retangular sujeita a uma carga uniforme quando os extremos estão fixos. Os problemas físicos que dependem de uma posição no espaço, em vez de um instante no tempo, são muitas vezes descritos em termos de equações diferenciais com condições impostas em mais do que um ponto: problemas com condições de fronteira (PCF).

Problemas com Condições de Fronteira Os PCF a serem considerados aqui envolvem uma equação diferencial ordinária de segunda ordem do tipo: E as condições de fronteira: Estas condições de fronteira podem ser de três tipos: 1. Dirichelet, se 1 = 2 = 0; 2. Neumann, se 1 = 2 = 0; 3. Robin ou mistas, se 1 + 2 0 e 1 + 2 0. Quando 1 = 2 = 0 as condições de fronteira são homogêneas.

Um método muito usado para determinar soluções aproximadas do PCF consiste em substituir as derivadas por formulas de diferenças finitas. Supondo que o problema admite só uma solução e considerando a partição: a = x 0 < x 1 <... < x n-1 < x n = b do intervalo [a, b]. O método das diferenças finitas permite obter aproximações y i, i = 1,..., n-1, para os valores da solução nos pontos da partição, isto é, y i y(x i ), i = 1,..., n-1. Por uma questão de simplificação a partição será considerada uniforme, ou seja, tal que x i x i-1 = h, i = 1,..., n.

Exemplo: Obter a solução aproximada do problema a seguir usando o método das diferenças finitas com uma malha uniforme de espaçamento h = 1/n. O PCF dado pode ser escrito, para cada ponto da partição na forma: com x i = ih. Aproximando y pela fórmula de diferenças centradas de segunda ordem (três pontos) tem-se:

com y i y(x i ), i = 1,..., n - 1. Substituindo na equação tem-se, em cada ponto da partição, o problema (linear) aproximado O sistema linear obtido é da forma: A matriz do sistema é tridiagonal, simétrica e estritamente diagonal dominante por linhas, logo é inversível. Fica deste modo garantida a existência e unicidade de solução.

Considerando n = 4, ou seja h = ¼: 2.0625 2.0625 2.0625 1/64 2/64 3/64

Considerando o problema: Com Condições de fronteira de Dirichelet: ( 1 = 2 = 1 e 1 = 2 = 0). O problema pode ser escrito, para cada ponto da partição, na forma: com x i = ih, i = 0,..., n. Substituindo as derivadas pelas fórmulas de diferenças centradas de segunda ordem: e

Assim obtém-se: Tomando y i y(x i ), i = 1,..., n - 1, um método de diferenças finitas com erro O(h 2 ) pode ser definido pelo sistema linear:

Ou de forma equivalente: Repetindo para verificar:

Note que o sistema linear obtido é da forma: O sistema tem solução única.

Um caso muito frequente é quando as condições de fronteira não são de Dirichlet mas de Neumann. Supondo que tem-se o PCF: Considerando, tal como para o caso anterior, a substituição das derivadas que aparecem na equação diferencial pelas fórmulas de diferenças centradas de segunda ordem obtém-se: com y i y(x i ), i = 1,..., n - 1. Quanto às equações de fronteira, o mais comum é considerarem-se diferenças progressivas na discretização de y (a) e regressivas na descretização de y (b). Usando diferenças progressivas e regressivas com dois pontos (ordem um) obtém-se:

onde y 0 y(x 0 ) e y n y(x n ). Deste modo, o sistema linear a resolver difere, em relação ao caso em que considera-se condições de Dirichlet, apenas nas primeira e última linhas. Toda a análise para Problemas LINEARES!

Este método apresenta boas características de estabilidade, apesar de requerer um esforço computacional elevado para obter uma precisão especificada. Basicamente, o método consiste em substituir as derivadas que aparecem na equação diferencial por uma aproximação adequada do quociente de diferenças, com base na fórmula de aproximação de séries de Taylor, como por exemplo: Denominadas aproximações centradas para as derivadas de primeira e segunda ordens, respectivamente. O parâmetro h é escolhido para manter numa determinada ordem de erro de truncamento. Contudo, h não pode ser demasiadamente pequeno, pois isso causa a chamada instabilidade das aproximações derivadas.

Para a aplicação do método de diferenças finitas, deve-se conhecer o valor da função nos extremos do intervalo no qual se aplica a equação diferencial. Esta classe de problemas é denominada Problema de Valor de Contorno (PVC) como, por exemplo, o seguinte problema de segunda ordem: Essa equação requer a utilização de aproximações do quociente de diferenças para aproximar tanto y quanto y.

Em primeiro lugar, deve-se fazer a discretização da malha, que consiste em escolher um inteiro positivo N e dividir o intervalo [a, b] em N+1 subintervalos, cujos extremos são os pontos da malha (mesh points) x i = a + ih, para i=0,1,...,n+1 e h = (b-a)/(n+1). Com h selecionado desta forma, facilita a montagem do sistema matricial linear de ordem NxN, resultante da aproximação discretizada da equação diferencial, para os pontos interiores da malha, ou seja, para i = 1, 2,..., N, dada por:

O seguinte teorema estabelece condições sob as quais o sistema tridiagonal possui solução única. tem

A algoritmo para o método linear de diferenças finitas:

Os passos seguintes referem-se à resolução de qualquer sistema tridiagonal.

Use o algoritmo acima para resolver o seguinte PVC:

Referencias Bibliográficas 1. Apostila: UFMT ICET MATEMÁTICA Cálculo Numérico Prof. Geraldo L. Diniz