Метод Рунге – Кутта

Метод Рунге – Кутта является одним из наиболее употребительных методов высокой точности. Метод Эйлера можно рассматривать как простейший вариант метода Рунге – Кутта.

Рассмотрим задачу Коши для дифференциального уравнения с начальным условием .

Как и в методе Эйлера, выберем шаг и построим сетку с системой узлов .

Обозначим через приближенное значение искомого решения в точке .

Приведем расчетные формулы метода Рунге – Кутта четвертого порядка точности:

, ,

, ,

,.

Оценка погрешности. Оценка погрешности метода Рунге – Кутта затруднительна. Грубую оценку погрешности дает правило Рунге. Так как метод Рунге – Кутта имеет четвертый порядок точности, т. е. , то оценка погрешности примет вид: .

Используя правило Рунге, можно построить процедуру приближенного вычисления решения задачи Коши методом Рунге – Кутта четвертого порядка точности с заданной точностью . Нужно, начав вычисления с некоторого значения шага , последовательно уменьшать это значение в два раза, каждый раз вычисляя приближенное значение . Вычисления прекращаются тогда, когда будет выполнено условие: .

Приближенным решением будут значения .

Пример 4. Методом Рунге-Кутта четвертого порядка точности найдем решение на отрезке следующей задачи Коши .

Возьмем шаг . Тогда .

Расчетные формулы имеют вид:

, , ,

,,.

Задача имеет точное решение: , поэтому погрешность определяется как абсолютная величина разности между точными и приближенными значениями .

Найденные приближенные значения решения и их погрешности представлены в таблице 9.

Таблица 9

			0, 6	1, 43333
0, 1	1, 01005	10-9	0, 7	1, 63232
0, 2	1, 04081		0, 8	1, 89648
0, 3	1, 09417		0, 9	2, 2479
0, 4	1, 17351			2, 71827
0, 5	1, 28403