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7 a - 8 a lezione di laboratorio Laurea Specialistica in Ingegneria Matematica Ingegneria dei Sistemi Energetici Laurea Specialistica in Ingegneria Matematica.

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1 7 a - 8 a lezione di laboratorio Laurea Specialistica in Ingegneria Matematica Ingegneria dei Sistemi Energetici Laurea Specialistica in Ingegneria Matematica Ingegneria dei Sistemi Energetici a.a. 2007-2008

2 Esercizio 1 Prova pratica del 04-09-2007 Si consideri il seguente problema di Cauchy: 1- Si verifichi che la funzione è soluzione del problema proposto e si dica, motivando opportunamente la risposta, se tale soluzione è unica, sapendo che y(x) e la sua derivata sono funzioni limitate e strettamente positive nellintervallo [0, 2].

3 Quesito 2 2- Si costruisca un file MATLAB: Cognome_studente_matricola.m che, una volta avviato a) faccia visualizzare una schermata con i dati personali ed una breve presentazione del problema b) determini la soluzione approssimata utilizzando il metodo di Heun ed il metodo di Runge Kutta del quarto ordine, con il passo h = 0.04; c) valuti lerrore relativo nei nodi nei due casi; d)faccia visualizzare una tabella riassuntiva in cui si riporti:

4 intestazione: x solH solRK errH errRK in cui x contiene i nodi x i, presi ogni 5, solH e solRK sono le soluzioni approssimate in tali nodi, calcolate con i due metodi ed errH e errRK i corrispondenti errori relativi. Si utilizzino i seguenti formati di stampa: 3 cifre decimali e formato virgola fissa per i valori dei nodi, 10 cifre decimali e formato virgola fissa per le soluzioni nei due casi, 2 cifre decimali e formato floating point per gli errori.

5 Quesiti 3 e 4 3- Si esegua una figura con 2 finestre grafiche; nella prima finestra grafica si riporti la soluzione vera (color blu) e quella approssimata ottenuta con il metodo di Heun (color rosso); nella seconda finestra grafica si riporti la soluzione vera (color blu) e quella approssimata ottenuta con il metodo di Runge Kutta (color verde). Si corredino i grafici di titolo e label. 4- Si commentino i risultati e si specifichi se essi soddisfano la aspettative teoriche.

6 Risoluzione quesito 2: variabili di input delle functions clear all clc t0=0;tmax=2; h=0.04; n=round((tmax-t0)/h); y0=[2 2]; f1='y(2)'; f2='(1+y(2).^2).*y(2)./(1+y(1).*y(2))'; f=strvcat(f1,f2); yveras='2*exp(T)';

7 Risoluzione quesito 2: applicazione dei metodi e stampe [T,Y1]=Heun(t0,tmax,n,y0,f); [T,Y2]=Rungekutta4(t0,tmax,n,y0,f); yvera=eval(yveras); err1=abs(yvera-Y1(:,1))./abs(yvera); err2=abs(yvera-Y2(:,1))./abs(yvera); tab=[T Y1(:,1) Y2(:,1) err1 err2]; tabr=tab(1:5:end,:); % stampa della tabella e grafici fprintf(' nodi solH solRK errH errRK \n') fprintf('%7.3f %14.10f %14.10f %10.2e %10.2e\n',tabr') subplot(2,1,1),plot(T,yvera,T,Y1(:,1),'r') xlabel('t'),ylabel('yvera -Heun') title('Soluzione vera - Heun h=0.04') subplot(2,1,2),plot(T,yvera,T,Y2(:,1),'g') xlabel('t'),ylabel('yvera - RK4') title('Soluzione vera - RK4 h=0.04')

8 Risultati quesito 2: tabella nodi solH solRK errH errRK 0.000 2.0000000000 2.0000000000 0.00e+000 0.00e+000 0.200 2.4426790826 2.4428055062 5.18e-005 4.13e-009 0.400 2.9833405503 2.9836493707 1.04e-004 8.25e-009 0.600 3.6436717793 3.6442375557 1.55e-004 1.24e-008 0.800 4.4501604196 4.4510817835 2.07e-004 1.65e-008 1.000 5.4351568857 5.4365635447 2.59e-004 2.06e-008 1.200 6.6381720177 6.6402336811 3.11e-004 2.48e-008 1.400 8.1074619672 8.1103996994 3.62e-004 2.89e-008 1.600 9.9019638802 9.9060645217 4.14e-004 3.30e-008 1.800 12.0936600235 12.0992944794 4.66e-004 3.71e-008 2.000 14.7704651859 14.7781115880 5.17e-004 4.13e-008 nodi solH solRK errH errRK 0.000 2.0000000000 2.0000000000 0.00e+000 0.00e+000 0.200 2.4426790826 2.4428055062 5.18e-005 4.13e-009 0.400 2.9833405503 2.9836493707 1.04e-004 8.25e-009 0.600 3.6436717793 3.6442375557 1.55e-004 1.24e-008 0.800 4.4501604196 4.4510817835 2.07e-004 1.65e-008 1.000 5.4351568857 5.4365635447 2.59e-004 2.06e-008 1.200 6.6381720177 6.6402336811 3.11e-004 2.48e-008 1.400 8.1074619672 8.1103996994 3.62e-004 2.89e-008 1.600 9.9019638802 9.9060645217 4.14e-004 3.30e-008 1.800 12.0936600235 12.0992944794 4.66e-004 3.71e-008 2.000 14.7704651859 14.7781115880 5.17e-004 4.13e-008

9 Risultati quesito 3: grafici

10 Esercizio 2 Prova pratica del 30-11-2006 Si consideri il problema differenziale di Cauchy 1- Sapendo che nellintervallo [0,1] le componenti della soluzione e le rispettive derivate fino allordine 3 si mantengono limitate, si dica, motivando la risposta, se il problema è ben posto.

11 Quesito 2 2- Si costruisca un file MATLAB: Cognome_studente_matricola.m che una volta avviato: a)faccia visualizzare una schermata con i dati personali ed una breve presentazione del problema; b) risolva il problema utilizzando il metodo Runge Kutta del quarto ordine con i passi h1=0.1, h2=0.05 e h3=0.01 ; c) faccia visualizzare una tabella riassuntiva che riporti ogni 5 nodi: intestazione: nodi sol1 sol2 sol3 dove nodi sono i nodi comuni delle partizioni, sol1, sol2, sol3 sono le soluzioni numeriche ottenute con il metodo e valutate nei nodi comuni, con i seguenti formati di stampa: 3 cifre decimali e formato virgola fissa per i valori dei nodi; 4 cifre decimali e formato virgola mobile per le soluzioni.

12 Quesito 3, 4 e 5 3- In una stessa figura corredata di label e titolo, si riporti la componente y(x) di ognuna delle tre soluzioni numeriche ottenute con il metodo RK4. 4- Si utilizzi lode suite per risolvere il problema proposto, scegliendo ode45 e riportando nella stessa figura del punto precedente, il grafico della componente y(x) della soluzione ottenuta con ode45 ( color rosso e punto). 5- Si commentino i risultati.

13 Risoluzione quesito 2 clear all clc t0=0; tmax=1; y0=[0 1 0 0 0.5]; h=[0.1 0.05 0.01]; n=round((tmax-t0)./h); f1='y(2)';f2='y(3)';f3='t.^2.*y(1).*y(3)-y(1).*y(5)'; f4='y(5)';f5='t.*y(4).*y(5)+4*y(2)'; f=strvcat(f1,f2,f3,f4,f5); tab=[];s='%7.3f'; for i=1:length(n) step=round(h(1)/h(i)); [T,Y]=Rungekutta4(t0,tmax,n(i),y0,f); tab=[tab Y(1:step:end,[1,4])]; subplot(1,2,1),plot(T,Y(:,1));hold on subplot(1,2,2),plot(T,Y(:,4));hold on s=[s,' %12.4e %12.4e']; end tab=[T(1:step:end) tab];tabr=tab(1:5:end,:);

14 Risoluzione quesiti 3 e 4 fprintf(' t \t\t\t\t\t sol1_h1 \t\t\t\t sol2_h2 \t\t\t\t sol3_h3 \n') fprintf([s,' \n'],tabr') [T,Y] = ode45('fun5',[t0 tmax],y0); tab=[T Y(:,:)];tab=tab(1:4:end,:); fprintf(' t solode45 \n') fprintf('%7.3f %12.4e %12.4e %12.4e %12.4e %12.4e \n', tab') subplot(1,2,1),plot(T,Y(:,1),'r.') xlabel('t');ylabel('y(t)');title('Componente y(t)') subplot(1,2,2),plot(T,Y(:,4),'r.') xlabel('t');ylabel('z(t)');title('Componente z(t)') function f5=fun5(t,y) f5=[y(2) y(3) t.^2.*y(1).*y(3)-y(1).*y(5) y(5) t.*y(4).*y(5)+4*y(2)];

15 Risultati quesito 2: tabella t sol1_h1 sol2_h2 sol3_h3 0.000 0.0000e+000 0.0000e+000 0.0000e+000 0.0000e+000 0.0000e+000 0.0000e+000 0.500 4.9659e-001 7.5910e-001 4.9659e-001 7.5910e-001 4.9659e-001 7.5910e-001 1.000 9.0431e-001 2.9880e+000 9.0430e-001 2.9882e+000 9.0430e-001 2.9882e+000 t sol1_h1 sol2_h2 sol3_h3 0.000 0.0000e+000 0.0000e+000 0.0000e+000 0.0000e+000 0.0000e+000 0.0000e+000 0.500 4.9659e-001 7.5910e-001 4.9659e-001 7.5910e-001 4.9659e-001 7.5910e-001 1.000 9.0431e-001 2.9880e+000 9.0430e-001 2.9882e+000 9.0430e-001 2.9882e+000

16 Risultati quesito 4: tabella t solode45 (si riportano le 5 componenti) 0.000 0.0000e+000 1.0000e+000 0.0000e+000 0.0000e+000 5.0000e-001 0.000 2.0095e-004 1.0000e+000 -1.0106e-008 1.0056e-004 5.0080e-001 0.001 1.2057e-003 1.0000e+000 -3.6577e-007 6.0576e-004 5.0482e-001 0.006 6.2295e-003 1.0000e+000 -1.0024e-005 3.1924e-003 5.2492e-001 0.031 3.1348e-002 1.0000e+000 -2.8676e-004 1.7640e-002 6.2540e-001 0.131 1.3134e-001 9.9971e-001 -7.3360e-003 1.0019e-001 1.0258e+000 0.231 2.3124e-001 9.9801e-001 -2.9932e-002 2.2290e-001 1.4292e+000 0.331 3.3083e-001 9.9293e-001 -7.6340e-002 3.8634e-001 1.8419e+000 0.431 4.2963e-001 9.8165e-001 -1.5557e-001 5.9199e-001 2.2760e+000 0.531 5.2683e-001 9.6037e-001 -2.7846e-001 8.4293e-001 2.7523e+000 0.631 6.2120e-001 9.2402e-001 -4.5962e-001 1.1450e+000 3.3055e+000 0.731 7.1091e-001 8.6579e-001 -7.2085e-001 1.5085e+000 3.9948e+000 0.831 7.9331e-001 7.7604e-001 -1.0972e+000 1.9519e+000 4.9268e+000 0.931 8.6460e-001 6.4055e-001 -1.6488e+000 2.5087e+000 6.3116e+000 1.000 9.0430e-001 5.0996e-001 -2.1819e+000 2.9882e+000 7.7458e+000 t solode45 (si riportano le 5 componenti) 0.000 0.0000e+000 1.0000e+000 0.0000e+000 0.0000e+000 5.0000e-001 0.000 2.0095e-004 1.0000e+000 -1.0106e-008 1.0056e-004 5.0080e-001 0.001 1.2057e-003 1.0000e+000 -3.6577e-007 6.0576e-004 5.0482e-001 0.006 6.2295e-003 1.0000e+000 -1.0024e-005 3.1924e-003 5.2492e-001 0.031 3.1348e-002 1.0000e+000 -2.8676e-004 1.7640e-002 6.2540e-001 0.131 1.3134e-001 9.9971e-001 -7.3360e-003 1.0019e-001 1.0258e+000 0.231 2.3124e-001 9.9801e-001 -2.9932e-002 2.2290e-001 1.4292e+000 0.331 3.3083e-001 9.9293e-001 -7.6340e-002 3.8634e-001 1.8419e+000 0.431 4.2963e-001 9.8165e-001 -1.5557e-001 5.9199e-001 2.2760e+000 0.531 5.2683e-001 9.6037e-001 -2.7846e-001 8.4293e-001 2.7523e+000 0.631 6.2120e-001 9.2402e-001 -4.5962e-001 1.1450e+000 3.3055e+000 0.731 7.1091e-001 8.6579e-001 -7.2085e-001 1.5085e+000 3.9948e+000 0.831 7.9331e-001 7.7604e-001 -1.0972e+000 1.9519e+000 4.9268e+000 0.931 8.6460e-001 6.4055e-001 -1.6488e+000 2.5087e+000 6.3116e+000 1.000 9.0430e-001 5.0996e-001 -2.1819e+000 2.9882e+000 7.7458e+000

17 Risultati quesito 3: grafici

18 Esercizio 3 Prova pratica del 26-06-06 Si consideri il seguente problema di Cauchy: 1- Si verifichi che la funzione è soluzione del problema proposto e si dica, motivando opportunamente la risposta, se tale soluzione è unica, sapendo che essa e la sua derivata sono funzioni limitate nellintervallo [1, 2].

19 Quesito 2 2- Si costruisca un file MATLAB Cognome_studente_matricola.m che, una volta avviato: a)faccia visualizzare una schermata con i dati personali ed una breve presentazione del problema; b) determini la soluzione approssimata utilizzando il metodo di Runge Kutta del quarto ordine considerando N1=100 e N2=200 intervalli; c) valuti lerrore assoluto nei nodi; d) faccia visualizzare una tabella riassuntiva in cui si riporti: intestazione: t soluzione1 soluzione2 errore1 errore2 e, ogni 5, i nodi t i, le soluzioni approssimate ed i corrispondenti errori assoluti nei nodi coincidenti nei due casi, utilizzando i seguenti formati di stampa:

20 Quesiti 3 e 4 3 cifre decimali e formato virgola fissa per i valori dei nodi, 10 cifre decimali e virgola fissa per le soluzioni nei due casi, 2 cifre decimali e formato floating point per gli errori. 3- Si esegua una figura con due finestre grafiche, una per N1=100 ed una per N2=200; in ciascuna finestra grafica si riporti la soluzione approssimata (color rosso e punto-linea) e la soluzione vera (color verde e linea continua). 4- Si commentino i risultati e si specifichi se essi soddisfano la aspettative teoriche.

21 Istruzioni quesito 2 clc clear all % Dati di input: t0=1;tmax=2; n1=100;n2=200; y0=[17 -14]; f=strvcat('y(2)','1/8*(32+2*t.^3-y(1).*y(2))'); % Elaborazione: [T1,Y1]=Rungekutta4(t0,tmax,n1,y0,f); [T2,Y2]=RungeKutta4(t0,tmax,n2,y0,f); xvera=T1.^2+16./T1; yvera=2*T1-16./T1.^2; vera=[xvera yvera]; err1=abs(Y1-vera); err2=abs(Y2(1:2:end,:)-vera);

22 Istruzioni quesito 2 tab=[T1 Y1 Y2(1:2:end,:) err1 err2]; tab5=tab(1:5:end,:); tabella=[T1 Y1(:,1) Y2(1:2:end,1) err1(:,1) err2(:,1)]; tabella5=tabella(1:5:end,:); % Stampa della tabella: s='___________________________________________________'; disp(s) fprintf(' t \t\t\t\t y1 y2 \t\t\t\t erry1 erry2 \n') disp(s);disp(' ') fprintf('%7.3f %14.10f %14.10f %12.2e %12.2e \n', tabella5') disp(' ') disp(s)

23 Istruzioni quesito 3 % Stampa dei grafici: subplot(2,1,1) plot(T1,Y1(:,1),'.-r',T1,xvera,'g');grid on xlabel('tempo');ylabel('y1 e xvera'); title(' RK4 (n1=100)') subplot(2,1,2) plot(T2,Y2(:,1),'.-r',T1,xvera,'g');grid on xlabel('tempo');ylabel('y2 e xvera'); title(' RK4 (n2=200)')

24 Tabella risultati _ _________________________________________________________________________________________________ t y1 y2 erry1 erry2 __________________________________________________________________________________ 1.000 17.0000000000 17.0000000000 0.00e+000 0.00e+000 1.050 16.3405952410 16.3405952383 2.95e-009 1.83e-010 1.100 15.7554545505 15.7554545458 5.07e-009 3.14e-010 1.150 15.2355434849 15.2355434787 6.61e-009 4.09e-010 1.200 14.7733333411 14.7733333338 7.73e-009 4.79e-010 1.250 14.3625000086 14.3625000005 8.56e-009 5.30e-010 1.300 13.9976923169 13.9976923083 9.16e-009 5.68e-010 1.350 13.6743518615 13.6743518524 9.62e-009 5.96e-010 1.400 13.3885714385 13.3885714292 9.95e-009 6.17e-010 1.450 13.1369827688 13.1369827593 1.02e-008 6.32e-010 1.500 12.9166666771 12.9166666673 1.04e-008 6.44e-010 1.550 12.7250806557 12.7250806458 1.05e-008 6.52e-010 1.600 12.5600000106 12.5600000007 1.06e-008 6.59e-010 1.650 12.4194697077 12.4194696976 1.07e-008 6.64e-010 1.700 12.3017647166 12.3017647065 1.08e-008 6.67e-010 1.750 12.2053571537 12.2053571435 1.08e-008 6.69e-010 1.800 12.1288888997 12.1288888896 1.08e-008 6.71e-010 1.850 12.0711486595 12.0711486493 1.08e-008 6.72e-010 1.900 12.0310526424 12.0310526323 1.09e-008 6.72e-010 1.950 12.0076282160 12.0076282058 1.09e-008 6.72e-010 2.000 12.0000000108 12.0000000007 1.08e-008 6.72e-010 ________________________________________________________________________________

25 Grafici

26 Si determini la traiettoria ed il tempo di attraversamento di un fiume largo 2 km, con velocità della corrente di modulo s, da parte di un battello che si muove con velocità relativa (rispetto allacqua) di modulo v, e che, partendo da un punto a valle (o a monte) del punto di attracco, si dirige sempre verso tale punto. Si utilizzi il metodo di Eulero. Si esaminerà il caso di partenza da un punto a valle. Lo studente può studiare laltro caso. Esercizio 4: Moto del Battello

27 s y dx/dt V v dy/dt x A Ps y dx/dt V v dy/dt x A P 2 km 0.1 km

28 Modello del problema Velocità assoluta battello:

29 Eulero scalare: Metodo di Eulero Eulero vettoriale: Eulero vettoriale applicato in serie: [T,Y]=Eulero(t0,tmax,n,y0,f) f=strvcat(f1,f2); [T,Y]=Eulero(t0,tmax,n,y0,f) [T,X,Y]=Eulero2(t0,tmax,n,x0,y0,f1,f2);

30 Soluzione del problema e simulazione del moto t0=0;tmax=0.5; %primo valore di tentativo y0=[2 0.1]; f=strvcat('-5*y(1)/sqrt(y(1)^2+y(2)^2),... '-5*y(2)/sqrt(y(1)^2+y(2)^2)+3'); n=50; [T,Y]=Eulero(t0,tmax,n,y0,f); x=Y(:,1); y=Y(:,2); figure(1) axis([-0.1 2 -0.2 0.6]) hold on for i=1:length(T) plot(x(i),y(i),'*b') %*=simbolo,b=blu pause(0.30) end hold off title([' Traiettoria del battello - tmax = ' num2str(tmax)]) xlabel(' X [km]');ylabel(' Y [km]') grid

31 Lestremo finale viene calcolato per tentativi.

32

33 Risultati con tmax=0.65 T X Y 0.000 2.000000e+000 1.000000e-001 0.013 1.935081e+000 1.357541e-001 0.026 1.870240e+000 1.702052e-001 0.039 1.805508e+000 2.033141e-001 0.052 1.740916e+000 2.350406e-001......... 0.559 1.919500e-002 1.821415e-001 0.572 1.238269e-002 1.564994e-001 0.585 7.255724e-003 1.307019e-001 0.598 3.652893e-003 1.048019e-001 0.611 1.388678e-003 7.884131e-002 0.624 2.439726e-004 5.285139e-002 0.637 -5.607722e-005 2.685208e-002 0.650 7.966688e-005 8.522218e-004

34 Sistema differenziale non lineare di ordine 1 Esercizio 5: Problema Preda-Predatore P(t): prede, Q(t): predatori. Si trovi la soluzione del problema per assumendo: k1 = 2; k2 = 10; c = 0.001; d = 0.002; P 0 =5000; Q 0 =100.

35 Soluzione analitica del problema Integrando i due membri si ottiene lInt. Gen. cost. si calcola imponendo le condizioni iniziali. Variabili separate

36 Istruzioni: Metodo Eulero esplicito e grafici di P( t ), Q( t ) t0=0;tmax=3; y0=[5000 100]; % P,Q sono in y(1), y(2) f=strvcat('2*y(1)- 0.001*y(1)*y(2)',... '-10*y(2)+ 0.002*y(1)*y(2)'); str1='Eulero';n=300; h=tmax/n; [T,Y]=Eulero(t0,tmax,n,y0,f); plot(T,Y(:,1),b,T,Y(:,2),g); grid title(['Risultati del metodo di ',str1]) legend('prede','predatori') title(['Risultati del metodo di ',str1,... ' con h =' num2str(h)]) xlabel('Tempo')

37 Grafici: Metodo di Eulero Esplicito

38 Istruzioni per grafico nel piano P Q t0=0;tmax=3; y0=[5000 100]; % P,Q sono in y(1), y(2) f=strvcat('2*y(1)- 0.001*y(1)*y(2)','-10*y(2)+.002*y(1)*y(2)'); str1='Eulero';N=[60 300]; h=tmax./N; n=N(1); [T,Y]=Eulero(t0,tmax,n,y0,f); plot(Y(:,1),Y(:,2),'r') hold on n=N(2); [T,Y]=Eulero(t0,tmax,n,y0,f); plot(Y(:,1),Y(:,2),'b',10/0.002,2/0.001,'*'),grid title(['Risultati del metodo di ',str1]) xlabel('Prede'),ylabel('Predatori');grid legend([ ' h1 = ',num2str(h(1))],[ ' h2 = ', num2str(h(2))])

39 Rappresentazione nel piano PQ Il punto segnato con * è il punto critico che si ottiene ponendo:

40 Istruzioni del Metodo Heun Grafici di P( t ), Q( t ) t0=0;tmax=3; y0=[5000 100]; f=strvcat('2*y(1)- 0.001*y(1)*y(2)',... '-10*y(2)+ 0.002*y(1)*y(2)'); str1=Heun';n=300; h=tmax./n; [T,Y]=Heun(t0,tmax,n,y0,f); plot(T,Y(:,1),T,Y(:,2)); grid legend('prede','predatori') title(['Risultati del metodo di ',str1,... ' con h = ',num2str(h)]) xlabel('Tempo')

41 Grafici prede, predatori Metodo di Heun

42 Soluzione nel piano PQ: simulazione movimento t0=0;tmax=3; y0=[5000 100]; f=strvcat('2*y(1)- 0.001*y(1)*y(2)','-10*y(2)+ 0.002*y(1)*y(2)'); n=300; h=tmax./n; [T,Y]=Heun(t0,tmax,n,y0,f); plot(10/0.002,2/0.001,*r,y0(1),y0(2),*b) hold on for i=1:n plot(Y(i,1),Y(i,2),*b) pause(0.25) end title('Simulazione nel piano PQ - Heun')

43 Simulazione: metodo di Heun

44 Esercizio 6: Sistema differenziale lineare del 1° ordine a)Stabilire se il problema ammette soluzione unica e se è ben condizionato. b)Calcolare la soluzione con il metodo di Eulero Implicito, n1=100 e n2=200; n1, n2 = numero sottointervalli.

45 c) Si calcoli lerrore nei nodi sapendo che la soluzione vera è: d) Si confronti la soluzione vera calcolata nei nodi al punto c), con quella approssimata ottenuta applicando il metodo di Runge-Kutta 4 con n1 = 100. Esercizio 6: quesiti c,d

46 a: esistenza, unicità della soluzione Esiste unica la soluzione del problema.

47 a: stabilità e condizionamento La matrice dei coefficienti è i suoi autovalori si trovano risolvendo lequazione caratteristica: il sistema è asintoticamente stabile e quindi ben condizionato.

48 n=input('n = '); % numero sottointervalli t0=0;tmax=10; A=[-1 1; -1 -1]; b=strvcat('0','0'); y0=[-1 1]; [T,Y]=Eulsis(t0,tmax,n,y0,A,b); str1='Eulero Implicito'; b: metodo di Eulero Implicito disp(['Risultati del metodo di ',str1]); t=T; Xv=exp(-t).*(sin(t)-cos(t)); Yv=exp(-t).*(sin(t)+cos(t)); tabella2 Stampa dei risultati

49 c: file tabella2.m c: file tabella2.m % Il file scrive una tabella in cui si riportano i valori in uscita da % un problema differenziale di Cauchy di tipo vettoriale e le colonne % di errore nella X e nella Y; ErrX= abs(Y(:,1)-Xv);ErrY= abs(Y(:,2)-Yv); tabella=[T,Y, ErrX,ErrY]; s='------------------------------------------'; disp(s) fprintf(' T X Y ErrX ErrY \n'); disp(s) %stampa ogni 10 valori fprintf('%6.3f %16.6e %16.6e %10.2e %10.2e\n', tabella(1:10:end,:) ' )

50 ----------------------------------------------------------------------------------------------------- T X Y ErrX ErrY ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 0.000 -1.000000e+000 1.000000e+000 0.00e+000 0.00e+000 1.000 6.326408e-002 5.194194e-001 4.75e-002 1.11e-002 2.000 1.657577e-001 1.000365e-001 1.36e-002 3.33e-002 3.000 6.695044e-002 -2.547604e-002 1.06e-002 1.68e-002 4.000 7.847666e-003 -2.531598e-002 9.74e-003 5.17e-004 5.000 -5.585724e-003 -8.060362e-003 2.79e-003 3.51e-003 6.000 -3.622299e-003 -2.110340e-004 5.50e-004 1.90e-003 7.000 -8.876485e-004 1.007195e-003 7.99e-004 2.79e-004 8.000 9.098508e-005 4.883277e-004 2.90e-004 2.05e-004 9.000 1.630219e-004 8.486890e-005 2.80e-007 1.46e-004 10.000 6.190752e-005 -2.813839e-005 4.85e-005 3.47e-005 tabella2.m : Eulero Implicito n1 = 100

51 % Grafico componente x della soluzione vera ed approssimata plot(T,Xv,T,Y(:,1));grid xlabel('Tempo (s)') title(Metodo di Eulero implicito - n=100') legend('Xvera','Xapp')

52 Errore per la x(t): Eulero Implicito % Andamento degli errori nella valutazione di x plot(T,ErrX);grid title(Andamento degli errori nella x')

53 tabella2.m: Eulero Implicito n2 = 200 -------------------------------------------------------------- T X Y ErrX ErrY -------------------------------------------------------------- 0.000 -1.000000e+000 1.000000e+000 0.00e+000 0.00e+000 0.500 -2.615168e-001 8.176226e-001 2.00e-002 5.44e-003 1.000 8.623577e-002 5.138799e-001 2.46e-002 5.55e-003 1.500 1.894160e-001 2.532959e-001 1.74e-002 1.49e-002 2.000 1.726328e-001 8.400313e-002 6.75e-003 1.73e-002 2.500 1.165047e-001 -2.675497e-003 1.62e-003 1.40e-002 3.000 6.211849e-002 -3.383809e-002 5.80e-003 8.42e-003 3.500 2.410848e-002 -3.553024e-002 6.42e-003 3.34e-003 4.000 3.128919e-003 -2.587447e-002 5.02e-003 4.12e-005...... 7.000 -5.159904e-004 1.197169e-003 4.28e-004 8.94e-005 7.500 5.446362e-005 7.894289e-004 2.73e-004 7.89e-005 8.000 2.488899e-004 4.108081e-004 1.32e-004 1.28e-004 8.500 2.485198e-004 1.524551e-004 3.64e-005 1.12e-004 9.000 1.764843e-004 1.315848e-005 1.32e-005 7.47e-005 9.500 9.888436e-005 -4.197206e-005 2.99e-005 3.83e-005 10.000 4.168455e-005 -5.014193e-005 2.83e-005 1.27e-005

54 Soluzione con movimento nel piano XY n=200;t0=0;tmax=10; A=[-1 1; -1 -1]; b=strvcat('0','0'); y0=[-1 1]; [T,Y]=Eulsis(t0,tmax,n,y0,A,b); plot(0,0,'or',y0(1),y0(2),'*g') % (0,0) punto % di stazionarietà hold on for i=1:n plot(Y(i,1),Y(i,2),'ob') pause(0.25) title('Soluzione nel piano delle fasi') end

55 Grafico nel piano XY

56 Confronto risultati con n1=100 e n2=200 Confronto risultati con n1=100 e n2=200 clear all t0=0;tmax=10;y0=[-1 1];A=[-1 1; -1 -1]; b=strvcat('0','0'); n1=100; [T1,Y1]=Eulsis(t0,tmax,n1,y0,A,b); n2=200; [T2,Y2]=Eulsis(t0,tmax,n2,y0,A,b); t=T1; % calcolo degli errori Xv=exp(-t).*(sin(t)-cos(t)); Yv=exp(-t).*(sin(t)+cos(t)); ErrX1= abs(Y1(:,1)-Xv);ErrY1= abs(Y1(:,2)-Yv); % I vettori da inserire in tab devono essere della stessa lunghezza e ErrX2,ErrY2 vanno calcolati negli stessi nodi di ErrX1, ErrY1!!! ErrX2= abs(Y2(1:2:end,1)-Xv);ErrY2= abs(Y2(1:2:end,2)-Yv); tab=[T1,ErrX1,ErrX2,ErrY1,ErrY2]; % costruzione della tabella s='---------------------------------------------------'; disp(s) fprintf(' T ErrX1 ErrX2 ErrY1 ErrY2 \n'); disp(s) fprintf('%6.3f %10.2e %10.2e %10.2e %10.2e\n',tab(1:10:end,:)')

57 Confronto dei risultati --------------------------------------------------- T ErrX1 ErrX2 ErrY1 ErrY2 --------------------------------------------------- 0.000 0.00e+000 0.00e+000 0.00e+000 0.00e+000 1.000 4.75e-002 2.46e-002 1.11e-002 5.55e-003 2.000 1.36e-002 6.75e-003 3.33e-002 1.73e-002 3.000 1.06e-002 5.80e-003 1.68e-002 8.42e-003 4.000 9.74e-003 5.02e-003 5.17e-004 4.12e-005 5.000 2.79e-003 1.28e-003 3.51e-003 1.92e-003 6.000 5.50e-004 3.86e-004 1.90e-003 9.42e-004 7.000 7.99e-004 4.28e-004 2.79e-004 8.94e-005 8.000 2.90e-004 1.32e-004 2.05e-004 1.28e-004 9.000 2.80e-007 1.32e-005 1.46e-004 7.47e-005 10.000 4.85e-005 2.83e-005 3.47e-005 1.27e-005

58 n=input('n = '); % numero sottointervalli t0=0;tmax=10; y0=[-1 1]; % x,y sono in y(1), y(2) f=strvcat('-y(1)+y(2)','-y(1)-y(2)'); [T,Y]=RungeKutta4(t0,tmax,n,y0,f); X=Y(:,1); Y=Y(:,2); str1='Runge-Kutta'; d: metodo di Runge-Kutta 4 disp(['Risultati del metodo di ',str1]); t=T; Xv=exp(-t).*(sin(t)-cos(t)); Yv=exp(-t).*(sin(t)+cos(t)); tabella Stampa dei risultati

59 Tabella Metodo RK4: n1 = 100 -------------------------------------------------------------- T X Y ErrX ErrY -------------------------------------------------------------- 0.000 -1.000000e+000 1.000000e+000 0.00e+000 0.00e+000 1.000 1.107954e-001 5.083239e-001 1.62e-006 2.12e-006 2.000 1.793787e-001 6.673883e-002 6.65e-007 1.85e-006 3.000 5.631372e-002 -4.226311e-002 1.05e-006 2.42e-007 4.000 -1.889800e-003 -2.583285e-002 3.79e-007 3.71e-007 5.000 -8.372432e-003 -4.549641e-003 4.95e-008 2.39e-007 6.000 -3.072525e-003 1.687461e-003 1.01e-007 3.86e-008 7.000 -8.833836e-005 1.286537e-003 3.73e-008 2.74e-008 8.000 3.807013e-004 2.830635e-004 1.21e-009 1.94e-008 9.000 1.632948e-004 -6.158686e-005 7.03e-009 3.92e-009 10.000 1.339237e-005 -6.279076e-005 2.90e-009 1.55e-009

60 % Grafico soluzione vera ed approssimata plot(T,Xv,T,X);grid xlabel('Tempo (s)') title(Metodo di Runge-Kutta - n=100') legend('Xvera','Xapp')

61 Errore per la x(t): Metodo RK4

62 Esercizio 7 Si consideri un satellite in orbita ellittica attorno ad un pianeta di massa M. Supponiamo che il pianeta sia posto nellorigine del riferimento cartesiano bidimensionale e il problema sia normalizzato in modo che GM=1, con G costante di gravitazione universale. Il moto del satellite è allora regolato dalle equazioni: Sia T il periodo di rivoluzione del satellite. 1 - Si stabilisca se il problema ammette soluzione unica. 2 - Per la terza legge di Keplero risulta dove a è il semiasse maggiore dellorbita.

63 Quesiti 2a, 2b 1- Si costruisca un file MATLAB: Cognome_studente_matricola.m che, una volta avviato: a) faccia visualizzare una schermata con i dati personali ed una breve presentazione del problema; b) risolva il problema con il metodo Runge-Kutta4 nel caso In questo caso lorbita è unellisse di centro (-1,0) e semiasse maggiore a = 2.

64 Quesiti 2c, 2d, 3 c) faccia visualizzare una tabella riassuntiva, che riporti ogni 10 nodi: Intestazione: tempo soluzione derivata_soluzione; con i seguenti formati di stampa: 3 cifre decimali e formato virgola fissa per i valori dei nodi; 8 cifre decimali e virgola fissa per la soluzione e la derivata ; d)mediante il comando subplot, con 2 finestre grafiche, si ritrovino per via grafica (corredata di label e titolo) le affermazioni del punto b) e si tracci landamento della soluzione in funzione del tempo. 3 - Si commentino i risultati.

65 Metodo RK4 t0=0;tmax=2*pi*sqrt(2^3); f1='y(2)';f2='-y(1)/(y(1)^2+y(3)^2)^(3/2)'; f3='y(4)';f4='-y(3)/(y(1)^2+y(3)^2)^(3/2)'; f=strvcat(f1,f2,f3,f4); y0=[1 0 0 sqrt(6)/2]; n=100; [T,Y]=RungeKutta4(t0,tmax,n,y0,f); X=Y(:,1); X1=Y(:,2); YV=Y(:,3);YV1=Y(:,4); str1='Runge-Kutta'; disp(['Risultati del metodo di ',str1]); tab=[T X YV X1 YV1]; tab_10=tab(1:10:end,:); s='------------------------------------------------------------------ ' disp(s) fprintf(' tempo soluzione derivata_soluzione \n') disp(s) fprintf(' %7.3f %12.8f %12.8f %12.8f %12.8f \n',tab_10') subplot(2,1,1),plot(T,X,T,YV),grid,title('soluzioni x(t) e y(t)') xlabel('t'),ylabel('x,y') subplot(2,1,2),plot(X,YV),grid,title('orbita') xlabel('x'),ylabel('y')

66 Risultati ------------------------------------------------- tempo soluzione derivata_soluzione ------------------------------------------------- 0.000 1.00000000 0.00000000 0.00000000 1.22474487 1.777 - 0.03265426 1.51593990 -0.81632406 0.39064849 3.554 - 1.35404660 1.70460966 -0.63935333 -0.09962284 5.331 - 2.28448065 1.32746219 -0.41023654 -0.29773434 7.109 - 2.82363255 0.71084577 -0.19934779 -0.38356134 8.886 - 2.99985645 -0.00027980 0.00006125 -0.40826680 10.663 - 2.82341431 -0.71137187 0.19947120 -0.38352275 12.440 - 2.28404148 -1.32787730 0.41036158 -0.29764433 14.217 - 1.35338881 -1.70479154 0.63947005 -0.09943831 15.994 - 0.03186270 -1.51561630 0.81630315 0.39107078 17.772 1.00000057 0.00109146 -0.00092295 1.22473755

67 Grafici


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