Ecuaciones diferenciales

UNIDAD 5.- Solución de ecuaciones diferenciales.

5.1 Métodos de un paso.










5.1.1 Método de Euler y Euler mejorado.
Método de Euler
Se llama método de Euler al método numérico consistente en ir incrementando paso a paso la variable independiente y hallando la siguiente imagen con la derivada.
La primera derivada proporciona una estimación directa de la pendiente en Xi(ver Gráfico Nº01). [1]
Donde f (Xi, Yi) es la ecuación diferencial evaluada en Xi y Yi, Tal estimación podrá substituirse en la ecuación [2] nos queda que:
[2]
Esta fórmula es conocida como el método de Euler (punto medio). Se predice un nuevo valor de Y por medio de la pendiente (igual a la primera derivada en el valor original de X).



Error para el método de Euler
La solución numéricade las ecuaciones diferenciales ordinarias (EDO) involucra dos tipos de error.
1) Errores de Truncamiento, o discretizacion, causados por la naturaleza de las técnicas empleadas para aproximar los valores de y.
2) Errores de Redondeo, que son el resultado del número limite de cifras significativas que pueden retener una computadora.  
Método de Euler Mejorado
Este método se basa en la mismaidea del método anterior, pero hace un refinamiento en la aproximación, tomando un promedio entre ciertas pendientes. 
La fórmula es la siguiente: 

Donde

Para entender esta fórmula, analicemos el primer paso de la aproximación, con base en la siguiente gráfica: 

En la gráfica, vemos que la pendiente promedio  corresponde a la pendiente de  la recta bisectriz de la recta tangente a lacurva en el punto de la condición inicial y la "recta tangente" a la curva en el punto  donde  es la aproximación obtenida con la primera fórmula de Euler. Finalmente, esta recta bisectriz se traslada paralelamente  hasta el punto de la condición inicial, y se considera el valor de esta recta en  el punto  como la aproximación de Euler mejorada. 




5.1.2 Método de Runge-Kutta.
Introducción:La computadora, es la herramienta mas poderosa hasta ahora conocida, para la solución de problemas en el campo de las ciencias exactas, en este caso los métodos numéricos, como punto principal por sus aplicaciones en la ingeniería.
Los métodos numéricos son técnicas, donde es posible resolver los problemas por medio de operaciones aritméticas, estos métodos implementan un buen numero de cálculosque son por demás demasiado lentos si se hacen manualmente, gastando mucha energía en la técnica misma de solución en vez de aplicarla sobre la definición del problema y su interpretación.
El trabajo monótono que se hacia anteriormente al uso de la computadora, hace de importancia, el dominio de los métodos numéricos, los cuales se deben llevar a cabo en combinación con las capacidades ypotencialidades de la programación de computadoras para de esa forma resolver los problemas de ingeniería mucho mas fácilmente y eficientemente.

Objetivo de los métodos de Runge-Kutta:

El objetivo de los métodos numéricos de runge-kutta, es el análisis y solución de los problemas de valor inicial de ecuaciones diferenciales ordinarias (EDO), estos son una extensión del método de euler pararesolver las (EDO’S), pero con un orden de exactitud mas alto que este.

Modelos matemáticos:

Los conocimientos científicos se usan rutinariamente por los ingenieros en el diseño de elementos tales como maquinas, circuitos eléctricos, estructuras etc.
Estos conocimientos son muy útiles cuando se expresan en forma de un modelo matemático, el cual se puede definir como una ecuación que expresalas características fundamentales de un sistema o proceso físico en términos matemáticos, siendo clasificados estos modelos, desde simples relaciones algebraicas hasta grandes y complicados sistemas de ecuaciones diferenciales.
Análisis de un modelo matemático:
Un modelo matemático: es una expresión matemática como veremos en el siguiente ejemplo:
Formula de la segunda ley de newton:
F=...