前向歐拉方程

歐拉方法是一種一階數(shù)值方法,用以對給定初值的常微分方程(即初值問題)求解绪抛。它是一種解決數(shù)值常微分方程的最基本的一類顯型方法

\begin{cases} \dot x(t)=v(t) \\ \dot v(t)=a(t) =\frac{F}{m} \end{cases}

我們用上面的方程來控制位置和速度的變化率电禀。

  • 位置的變化率是速度幢码,
  • 速度的變化率是加速度,

按牛頓第二定律尖飞,力除以質(zhì)量症副,在典型的設(shè)置中,我們也知道時間0處的位置和 速度政基。
現(xiàn)在我們使用計算機來了解這些方程式導(dǎo)致的結(jié)果贞铣,最簡單的方法稱為前向歐拉方法。

Small time steps of size h:

\begin{cases} x(h)=x(0)+hv(0) \\ v(h)=v(0)+h\frac{F}{m} \end{cases}

歐拉的思想是通過在很短的時間內(nèi)來解決這些方程式沮明。如果我們從初始位置——x(0)和初始速度——v(0)開始咕娄,那么在一個很的短時間間隔h內(nèi)會發(fā)生什么呢?

位置將大約增加速度的h倍:如果速度是每秒2米珊擂,我們等待3秒圣勒,位置將改變6米。當(dāng)然摧扇,實際仿真時我們使用的時間步長要小得多圣贸。
速度的變化也是類似的,在一些小的時間間隔h之后扛稽,速度將是其原始值加上時間步長乘以加速度吁峻,即\frac{F}{m}

所以這個方程會使我們獲得大概從時刻0到時刻h的解在张。這里用等號其實并不是很準(zhǔn)確用含,應(yīng)該是約等于。
\begin{cases} x(2h)=x(h)+hv(h) \\ v(2h)=v(h)+h\frac{F}{m} \end{cases}
以同樣的方式帮匾,我們可以用另一個時間步長得出從h到2h的結(jié)果啄骇。我們知道在第一步結(jié)束時我們已達到的位置,并且我們繼續(xù)使用新的速度瘟斜,這導(dǎo)致了新的位置——速度也是類似的缸夹。反復(fù)迭代此過程,就可以隨時查找位置和速度的估計值螺句。

另一種角度看上面的公式:從當(dāng)前時刻出發(fā)虽惭,根據(jù)當(dāng)前時刻的函數(shù)值及其導(dǎo)數(shù),可得到下一時刻的值蛇尚。因此顯式歐拉法又稱為前向歐拉(Forward Euler)

參考
https://www.youtube.com/watch?v=42-eBNm3rCY

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