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用Mathematica绘制微分方程的图形

用Mathematica绘制微分方程的图形

的有关信息介绍如下:

用Mathematica绘制微分方程的图形

这里要介绍的是用Mathematica解微分方程(组),并根据相应的结果,进行相关绘图,甚至进行动态模拟。

给出微分方程y''(x)+y(x)==1,求其的通解:

DSolveValue[y''[x] + y[x] == 1, y[x], x]

得到的通解是:c2*sin(x)+c1*cos(x)+1。

显然,通解是不可能作出图像的!

但是,我们可以对c1、c2赋予不同的值,再用Show+Table,把所作的图放到一起(注意,大写字母C是Mathematica的内部函数,因此,作图的时候,要把C全部换成c):

Show[Table[

Plot[1 + c Cos[x] + c Sin[x], {x, -2 Pi, 2 Pi}],

{c, -1, 1,0.5}, {c, -1, 1, 0.5}]]

用NDSolveValue可求出微分方程的数值解(俗称——特解):

NDSolveValue[{y'[x] == Cos[x^6 + x + 1], y == 0}, y[x], {x, -5, 5}]

没有给出公式,但是不妨碍作图:

Plot[%, {x, -5, 5}]

求二元微分方程组的特解:

{xsol, ysol} =

NDSolveValue[{

x'[t] == -3 y[t] - x[t]^2,

y'[t] == Sqrt x[t] - y[t]^3,

x == y == 1}, {x, y}, {t, 100}]

把结果作为参数方程,来进行作图,这是混沌现象:

ParametricPlot[{xsol[t], ysol[t]}, {t, 0, 100}]

用互动效果演示一下上图的作图过程:

Manipulate[ ParametricPlot[{xsol[t], ysol[t]}, {t, 0, a}], {a, 0.01, 100}]

Manipulate[ ParametricPlot[{xsol[t], ysol[t]}, {t, 0, a}], {a, 0.01, 100,0.1}]

Manipulate[ ParametricPlot[{xsol[t], ysol[t]}, {t, 0, a}], {a, 0.01, 10,0.001}]

这个让我想到了著名的“Lorenz吸引子”,需要满足的微分方程组是:

x' (t)=-10(x(t)+y(t) )

y' (t)=x(t)(-z(t) )+28x(t)-y(t)

z' (t)=x(t)y(t)-(8z(t))/3

“Lorenz吸引子”的每一个点由{x(t),y(t),z(t)}确定,t是时间参数。我们先来解出{x(t),y(t),z(t)}当x(0)=z(0)=0,y(0)=1时的数值解:

NDSolve[{x'[t] == -10 (x[t] - y[t]),

y'[t] == -x[t] z[t] + 28 x[t] - y[t],

z'[t] == x[t] y[t] - (8/3) z[t],

x == z == 0, y == 1},

{x, y, z}, {t, 0, 200}, MaxSteps -> Infinity]

然后在三维空间里,画出它的图像:

ParametricPlot3D[Evaluate[{x[t], y[t], z[t]} /. %], {t, 0, 200},

PlotPoints -> 50000]