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UNIVERSIDAD NACIONAL
        “HERMILIO VALDIZAN”- HUANUCO
     FACUL AD DE INGE RIA CIVIL Y ARQUIT CT
          T          NIE                E URA


CURSO       :          MÉTODOS NUMÉRICOS


P OFESOR
 R      A        :    Jaimes Reátegui, Sumaya


INTEGRANTES             :      Domínguez Muños,
Jhon H.
                     Mendoza Santiago, Brigner
                     Salvador Salazar, Owner H

                HUÁNUCO – 2 009
SOLUCIONES NUMÉRICAS PARA LAS ECUACIONES
             DIFERENCIALES PARCIALES


 CUERPO ISOTROPICO
Si la conductividad térmica en cada uno de los puntos es independiente
de la dirección del flujo de calor a través del punto.
 En un punto la Tº             se obtiene resolviendo la siguiente ecuación



donde k, c y p son funciones de (x, y, z) y representan, respectiva­mente,
la conductividad térmica, el calor específico y la densidad del cuerpo en
el punto (x, y, z).
Cuando k, c y p son constantes, a esta ecuación se le denomina
ecuación simple tridimensional del calor, y se expresa como



Si la frontera del cuerpo es relativamente simple, la solución de esta
ecuación se obtiene usando la serie de Fourier. En la general si k, c y
no      son constantes o cuando la frontera es irregular, la solución se
obtiene mediante métodos de aproximación.
   consideraremos la ecuación diferencial        parcial
    elíptica denominada ecuación de Poisson:
 
                 0
   En esta ecuación suponemos que la función f describe
    los datos del problema en una región plana R cuya
    frontera denotamos con S. Este tipo de ecuaciones
    aparece de manera natural en el estudio de diversos
    problemas físicos dependientes del tiempo; por
    ejemplo la distribución de calor para estado estable
    en una región plana, la energía potencial de un punto
    en un plano sobre el que operan fuerzas
    gravitacionales y los problemas bidimencionales del
    estado estable que incluyen fluidos incompresibles.
 Si la temperaturadentro de la region está
  determinada por su distribución en la frontera de
  la región, a las restricciones se les llama
  condiciones de frontera de Dirichlet. Éstas están
  dadas por
 u(x,y) = g(x, y),

 para toda (x, y) en S, o sea, la frontera de la región
  R. Véase la Fig.
 

            y
                    S            (x,y):la temperatura se
                                     mantiene
                    R            constante a g(x,y)
                                 grados




                                  x
   Este método permite el cálculo de la derivada de
    orden r de señales discretas, a partir de la
    determinación de las diferencias centrales
    existentes entre datos consecutivos, la cual viene
    dada de forma general mediante:
   Para el cálculo de la derivada de cualquier orden
    se sustituye r en la ecuación anterior por el orden
    de la derivada de interes, obteniéndose para las
    derivadas de primer, segundo, tercer y cuarto
    orden las siguientes expresiones que
    corresponden a los valores de r=1; r=2; r=3 y r=4
    respectivamente.
   En la forma de diferencias, esto da como resultado
    el método de las diferencias centrales con un error
    local de truncamiento del orden ;




       h 2                                 h
                                                   2

    2   ÷ + 1 w i,j ­ (w i+1,j + w i­1,j )­  ÷ (w i,j+1 + w i,j­1 ) = ­h2f (xi , y j )
       k 
              
                                              k
 Los métodos de Gauss y Cholesky hacen parte
  de los métodos directos o finitos. Al cabo de un
  número finito de operaciones, en ausencia de
  errores de redondeo, se obtiene x* solución del
  sistema Ax = b.
 El método de Gauss-Seidel hace parte de los
  métodos llamados indirectos o Iterativos. En
  ellos se comienza con x0 = (x01; x02;…; x0n), una
  aproximación inicial de la solución. A partir de
  x0 se construye una 2nueva n aproximación de la
  solución, x1 = (x11; x1 ;…; x1 ). A partir de x1 se
  construye x2 (aquí el superíndice indica la
  iteración y no indica una potencia).
 Asi sucesivamente se construye una sucesión
  de vectores {XK}, con el objetivo, no siempre
  garantizado, de que
 
 Generalmente los métodos indirectos son una buena
  opción cuando la matriz es muy grande y dispersa o
  rala (sparse), es decir, cuando el numero de
  elementos no nulos es pequeño comparado con n2,
  numero total de elementos de A. En estos casos se
  debe utilizar una estructura de datos adecuada que
  permita almacenar únicamente los elementos no
  nulos.
 En cada iteración del método de Gauss-Seidel, hay n
  sub iteraciones. En la primera sub iteración se
  modifica únicamente x1. Las demás coordenadas x2,
  x3, ..., xn no se modifican. El calculo de x1 se hace de
  tal manera que se satisfaga la primera ecuación.
 En  la segunda sub iteración se modifica
 únicamente x2. Las demás coordenadas x1,
 x3, ..., xn no se modifican. El calculo de x2 se
 hace de tal manera que se satisfaga la segunda
 ecuación.




 Así sucesivamente, en la n-esima sub iteración
 se modifica únicamente xn. las demás
 coordenadas x1, x2, ..., xn-1 no se modifican. El
 calculo de xn se hace de tal manera que se
 satisfaga la n-esima ecuación.
 La ecuación diferencial parcial elíptica que
 estudiaremos es la ecuación de Poisson:
            ∂ 2u(x,y)   ∂ 2u(x,y)
∇ 2u(x,y) =           +           = f(x,y) ; en (x,y) ∈ R y
               ∂x 2
                           ∂y 2



 U(x,   y) = g(x, y); para (x,y) S, donde:
               {
           R = (x,y)
                       a < x < b, c < y < d   }
Y S denota la frontera de R. Para este análisis,
 suponemos que tanto f como g son continuas
 en sus dominios y que se garantiza una
 solución única.
   El método usado es una adaptación de la técnica de
    diferencias para problemas con valor de frontera. El primer
    paso h = ( b – a ) / n y k = ( d – c ) / m. La división del
    intervalo [ a , b ] en n partes iguales de ancho h, y del
    intervalo [ c , d ] en m partes iguales de ancho k da como
    resultado una (xi ,y j )
                    cuadricula en el rectángulo R al trazar líneas
    verticales y horizontales a través de los puntos con
    coordenadas             , donde

      ym = d
                                             . . .
                                        .
                                        .
                                        .
                                   .
                                   .
                                   .
                         .
                         .
                         .
                              .
                              .
                              .




                                             . . .
                                             . . .            xi = a + ih, para cada i = 0, 1, 2, 3, . . . , n,
           y2
                                             . . .            yi = c + jk, para cada j = 0, 1, 2, 3, . . . , m.
           y1
                                             . . .
       y0 = c



                x 0= a   x1   x2   x3   x4           x n= b
   Las líneas son líneas de cuadrícula, y sus
    intersecciones son los puntos de red            de la
    cuadrícula. En cada punto de red del interior de la
    cuadrícula con i = 1, 2, …, n-1 y con j = 1, 2, …, m-
    1, utilizando la serie de Taylor en la variable x
    alrededor de Xi para generar la fórmula de las
    diferencias centrales:
    ∂2u(x i , y j )        u(x i + 1, y j ) - 2*u(x i , y j ) + u(x i - 1, y j )          h2 ∂4u
                      =                                                                 -         ( ℑ, y j ),
                                                                                                     i
        ∂x 2                                           h2                                 12 ∂x 4
     Donde            ℑ ∈ (x i - 1, x i +1 )
                       i

   También usamos la serie de Taylor en la variable y
    alrededor de Yi para generar la fórmula de las
    diferencias centrales:

    ∂ 2u(xi , y j )       u(x i , y j+1 ) - 2*u(x i, y j ) + u(x i , y j - 1 )     h2 ∂ 4 u
                      =                                                          -          ( xi , η j ),
         ∂x   2
                                                  k2                               12 ∂ y 4



     Donde                 ηi ∈ ( y i - 1, y i +1 )
El uso de estas fórmulas nos permite expresar la
     ecuación de Poisson en los puntos     como: (xi ,y j )

u(xi+1, y j )-2*u(x i , y j )+u(xi-1, y j ) u(x i, y j+1 )-2*u(x i, y j )+u(xi , y j-1 )                h2 ∂ 4 u               h2 ∂ 4 u
                                           +                                             = f(xi ,y j )+          ( ℑi , y j )+          ( xi , η j )
                  h2                                           k2                                       12 ∂x 4                12 ∂y 4



     Para toda i = 1, 2, … , n-1 y j = 1, 2, …, m-1 y las
     condiciones de frontera como:

                  u(x o , y j ) = g(x o , y j ), para cada j = 0, 1, ... ,m,
                  u(xn , y j ) = g(xn , y j ), para cada j = 0, 1, ... ,m,
                  u(xi , y 0 ) = g(x i , y 0 ), para cada i = 0, 1, ... ,n - 1,
                  u(xi , y m ) = g(xi , y m ), para cada i = 0, 1, ... ,n - 1.
   En la forma de diferencias, esto da como
    resultado el método de las diferencias
    centrales con un error local de truncamiento del
    orden o(h2 + k 2 ) ;
   h  2                               h
                                              2

2  ÷ + 1 w i,j - (w i+1,j + w i-1,j )-  ÷ (w i,j+1 + w i,j-1 ) = -h2f (x i , y j )
   k 
          
                                         k
Para toda i = 1, 2, … , n-1 y j = 1, 2, …, m-1, y

uo j = g(x o , y j ), para cada j = 0, 1, ... ,m,
un j = g(x n , y j ), para cada j = 0, 1, ... ,m,
ui0 = g(x i , y 0 ), para cada i = 0, 1, ... ,n - 1,
uim = g(x i , y m ), para cada i = 0, 1, ... ,n - 1.
   Donde w i,j aproxima u(xi ,y j ) .
   La ecuación común contiene aproximaciones a
                                         u(x,y)
       en los puntos :
    u(x i+1, y j ),u(x i , y j ),u(x i-1, y j ),u(x i, y j+1 ),u(x i , y j-1 )

    Al reducir la parte de la cuadrícula donde estos
    puntos están situados, se observa que cada
    ecuación contiene aproximaciones en una región
    en forma de estrella alrededor de (xi , y j )

                          d

                         yj + 1                X



                           yj         X             X
                                               X


                         yj -1                 X


                           c




                                  a   xi - 1   xi   xi + 1
                                                             b
Si utilizamos la información de las condiciones de frontera
   siempre que sea conveniente en el sistema dado, es decir, en
      todos los puntos (x i , y j ) adyacentes al punto de red de la
        frontera, tendremos un sistema lineal (n-1)(m-1) por
(n-1)(m-1) cuyas incógnitas son las aproximaciones           w i,j
                                                              a
          u(xi ,y j ) en el interior de los puntos de red.
 
  El sistema lineal que contiene estas incógnitas se expresa
  más eficientemente en cálculos matriciales, si se introduce un
  remarcaje de los puntos interiores de la red. Un sistema de
  marcaje de estos puntos consiste en utilizar
                     Pl = (xi , y j )   y   Wl = w i,j,
  Donde l = i + (m - 1 – j)(n – 1), para toda i = 1, 2, … , n-1 y j =
  1, 2, …, m-1. Y así se marcan consecutivamente los puntos de
  red de izquierda a derecha y de arriba abajo. Por ejemplo, con
  n = 4 y m = 5 con el remarque se obtiene una cuadrícula cuyos
  puntos se muestran en el gráfico. Al marcar los puntos de este
  modo, se garantiza que el sistema necesario para determinar
        sea una matriz de banda con un ancho de banda máximo
  de 2n-1.
y5

           P1    P2        P3
y4
          P4     P5        P6
y3

y2        P7     P8        P9

y1        P10    P11       P12


y0




     xo     x1        x2        x3   x4
a, b, c, d, m, n,
                     PROCESO
                    PROCESO    X, Y, v,t,
f, g(condiciones
                               F, w
de frontera),
tol, N
a:        Limite inferior de las abscisas
b:        Limite superior de las abscisas
c:        Limite inferior de las ordenadas
d:        Limite superior de las ordenadas
n:        Numero de particiones del intervalo [a,b]
m:        Numero de particiones del intervalo [c,d]
fun1:     La función general, g(x,y)
fun2:     La función, f(x,y)
tol:      Tolerancia para las iteraciones
N:        El numero de iteraciones
w(i,j):   Variable matricial que aproxima a g(x,y)
h:        Equidistancia entre los nudos horizontales
k:        Equidistancia entre los nudos verticales
l:        Contador que asigna el número de iteraciones
norm:     Variable estático o valor constante
X:        Vector fila que representa a las abscisas
Y:        Vector fila que representa a las ordenadas
F:        Matriz que representa a los puntos de f(x,y)
G:        Matriz que representa a los puntos de G(x,y)
Para el comprender mejor el programa
se ha realizado un diagrama de flujo,
mediante el cual este programa puede
ser codificado en cualquier lenguaje de
programación, facilitando así a la
persona interesada en programar este
tema.
INICIO
                 INICIO

    LEER:a,b,c,d,n,m,fun,fun1,fun2,fun
  LEER:a,b,c,d,n,m,fun,fun1,fun2,fun                                   F=zeros(n+1,m+1);
    3,fun4,tol,N                                                      F=zeros(n+1,m+1);
  3,fun4,tol,N
                                                                             FOR i=1: n+1
                                                                            FOR i=1: n+1
 h=(b-a)/n;       k=(d-c)/m;
h=(b-a)/n;       k=(d-c)/m;
 X=zeros(1,n+1); Y=zeros(1,m+1);                                   FOR j=1:m+1
X=zeros(1,n+1); Y=zeros(1,m+1);                                   FOR j=1:m+1
 v=zeros(1,n+1);   t=zeros(1,m+1);
v=zeros(1,n+1);  t=zeros(1,m+1);
                                                                   y=Y(j);
                                                                  y=Y(j);
           FOR i=1: n+1                                            x=X(i);
          FOR i=1: n+1                                            x=X(i);
                                                                   F(i,j)=eval(fun);
                                                                  F(i,j)=eval(fun);
             X(i)=a+(i-1)*h;                                              NEXT (j)
            X(i)=a+(i-1)*h;                                              NEXT (j)
            NEXT (i)                                                      NEXT (i)
           NEXT (i)                                                      NEXT (i)

            FOR j=1: m+1                                       w=zeros(n-1,m-1);
           FOR j=1: m+1                                      w=zeros(n-1,m-1);
                                                               la=(h^2)/(k^2);
                                                             la=(h^2)/(k^2);
               Y(i)=a+(i-1)*k;                                 mu=2*(1+la);        l=1;
              Y(i)=a+(i-1)*k;                                mu=2*(1+la);        l=1;

            NEXT (j)                                                     WHILE l<=N
           NEXT (j)                                                     WHILE l<=N
           FOR i=1: n+1                                 z=(-h^2*F(2,m)+Y(m)+la*v(2)+la*w(1,m-2)+w(2,m-1))/mu;
          FOR i=1: n+1                                z=(-h^2*F(2,m)+Y(m)+la*v(2)+la*w(1,m-2)+w(2,m-1))/mu;
                                                        norm=abs(z-w(1,m-1));
          x= X(i); v(i)=eval(fun4);                    norm=abs(z-w(1,m-1));
         x= X(i); v(i)=eval(fun4);                      w(1,m-1)=z;
                                                       w(1,m-1)=z;
             NEXT (i)                                                  FOR i=3: n-1
            NEXT (i)                                                  FOR i=3: n-1
            FOR j=1: m+1
           FOR j=1: m+1                           z=(-h^2*F(i,m)+la*v(i)+w(i-2,m-1)+w(i,m-1)+la*w(i-1,m-2))/mu;
                                                 z=(-h^2*F(i,m)+la*v(i)+w(i-2,m-1)+w(i,m-1)+la*w(i-1,m-2))/mu;
        y=Y(j); t(j)=eval(fun2)
       y=Y(j); t(j)=eval(fun2)

                                                                     abs(w(i-1,m-1)-z)>norm
                                             F                      abs(w(i-1,m-1)-z)>norm
             NEXT (j)                    F
            NEXT (j)

                                                                                  V
                                                                                 V
                                                                       norm=abs(w(i-1,m-1)-z);
                                                                      norm=abs(w(i-1,m-1)-z);
                                                                       w(i-1,m-1)=z;
                                                                      w(i-1,m-1)=z;



                                                                          NEXT (i)
                                                                         NEXT (i)

                                                                                  A
                                                                                 A
A                                                                                               B
                                       A                                                                                            B
         z=(-h^2*F(n,m)+t(m)+la*v(n)+w(n-2,m-1)+la*w(n-1,m-2))/mu
        z=(-h^2*F(n,m)+t(m)+la*v(n)+w(n-2,m-1)+la*w(n-1,m-2))/mu                              z=(-h^2*F(n,j)+t(j)+w(n-2,j-1)+la*w(n-1,j)+la*w(n-1,j-2))/mu;


                                   abs(w(n-1,m-1)-z)>norm
    F                             abs(w(n-1,m-1)-z)>norm                                                                abs(w(n-1,j-1)-z)>norm
F                                                                                         F                            abs(w(n-1,j-1)-z)>norm
                                                                                      F

                                               V
                                             V                                                                                       V
                                                                                                                                   V
                         norm=abs(w(n-1,m-1)-z);
                        norm=abs(w(n-1,m-1)-z);                                                               norm=abs(w(n-1,j-1)-z);
                         w(n-1,m-1)=z;                                                                       norm=abs(w(n-1,j-1)-z);
                        w(n-1,m-1)=z;                                                                         w(n-1,j-1)=z;
                                                                                                             w(n-1,j-1)=z;

                                    for j=m-1:-1:3
                                  for j=m-1:-1:3                                                                          NEXT (j)
                                                                                                                         NEXT (j)
        z=(-h^2*F(2,j)+Y(j)+la*w(1,j)+la*w(1,j-2)+w(2,j-1))/mu
                                                                                                       z=(-h^2*F(2,2)+G(1,2)+la*G(2,1)+la*w(1,2)+w(2,1))/mu;


                                   abs(w(1,j-1)-z)>norm
    F                             abs(w(1,j-1)-z)>norm
F                                                                                                                       abs(w(1,1)-z)>norm
                                                                                          F                            abs(w(1,1)-z)>norm
                                                                                      F
                                               V
                                              V
                                                                                                                                     V
                         norm=abs(w(1,j-1)-z);                                                                                      V
                        norm=abs(w(1,j-1)-z);
                         w(1,j-1)=z;                                                                          norm=abs(w(1,1)-z);
                        w(1,j-1)=z;                                                                          norm=abs(w(1,1)-z);
                                                                                                              w(1,1)=z;
                                                                                                             w(1,1)=z;
                                    FOR i=3:n-1
                                   FOR i=3:n-1
                                                                                                                      FOR i=3:n-1
                  z=(-h^2*F(i,j)+w(i-2,j-1)+la*w(i-1,j)+w(i,j-1)+la*w(i-1,j-2))/mu                                   FOR i=3:n-1
                 z=(-h^2*F(i,j)+w(i-2,j-1)+la*w(i-1,j)+w(i,j-1)+la*w(i-1,j-2))/mu
                                                                                                       z=(-h^2*F(i,2)+la*X(i)+w(i-2,1)+la*w(i-1,2)+w(i,1))/mu;


                                  abs(w(i-1,j-1)-z)>norm
                                 abs(w(i-1,j-1)-z)>norm                                                                 abs(w(i-1,1)-z)>norm
                                                                                          F                            abs(w(i-1,1)-z)>norm
                                                                                      F
             F
         F
                                                 V
                                                V                                                                                   V
                                                                                                                                   V
                      norm=abs(w(i-1,j-1)-z);
                     norm=abs(w(i-1,j-1)-z);                                                                  norm=abs(w(i-1,1)-z);
                      w(i-1,j-1)=z;                                                                          norm=abs(w(i-1,1)-z);
                     w(i-1,j-1)=z;                                                                            w(i-1,1)=z;
                                                                                                             w(i-1,1)=z;


                                      NEXT (i)                                    B                      C                   NEXT (i)
                                     NEXT (i)                                 B                         C                   NEXT (i)
C
                                     C

 z=(-h^2*F(n,2)+t(2)+la*X(n)+w(n-2,1)+la*w(n-1,2))/mu
z=(-h^2*F(n,2)+t(2)+la*X(n)+w(n-2,1)+la*w(n-1,2))/mu




                       abs(w(n-1,j1)-z)>norm
                     abs(w(n-1,j1)-z)>norm


                                                                              F
                                                                          F
                                         V
                                     V

                               norm=abs(w(n-1,1)-z);
                             norm=abs(w(n-1,1)-z);
                                   w(n-1,1)=z;
                                  w(n-1,1)=z;




                       norm <= tol
                     norm <= tol                                                      F                             l==N                                F
                                                                                  F                               l==N                              F


                                                                                                                     V
                                         V                                                                       V
                                     V

            IMPRIMIR X, Y, v,t, F, w,“Procedimiento terminado con éxito                    IMPRIMIR X, Y, v,t, F, w, ”Excedió el numero máximo de
           IMPRIMIR X, Y, v,t, F, w,“Procedimiento terminado con éxito
                                       para l”                                            IMPRIMIR X, Y, v,t, F, w, ”ExcedióN” numero máximo de
                                                                                                                iteraciones a el
                                     para l”                                                                 iteraciones a N”
                                                                                                   “Procedimiento terminado sin éxito…”
                                                                                                 “Procedimiento terminado sin éxito…”




                                        l=N;
                                      l=N;




                                       l=l+1;
                                     l=l+1;

                         END WHILE
                        END WHILE



                                      END
                                     END
CODIFICACIÓN EN MATLAB
OBSERVACIONES
El numero de particiones; h, k; deben ser mayores o iguales que 3.
El tipo de problema que se presenta es mayormente de temperaturas
de placas o semejante a ellos con consideraciones de frontera.
En el grafico que se muestra al ejecutar el programa la parte oscura
representa temperatura cero en las tronteras.
El resultado se muestra en una matriz (A) que es lo mismo que (w)
que tiene dimensiones de (n-1 x m-1),
   EJEMPLO 
     Consideremos el problema de determinar la distribución de calor
    en estado estable, en una placa cuadrada metálica delgada, con
    las dimensiones 0.5 m por 0.5 m. Conservamos dos fronteras
    adyacentes de 0º C, mientras el calor en las otras dos fronteras
    aumenta linealmente de 0º C en una esquina a 100º C en el sitio
    donde ambos lados se encuentran. Si ponemos los lados con las
    condiciones de frontera cero a lo largo de los ejes x y y, el
    problema se expresa así:
                     ∂2u(x,y)   ∂2u(x,y)
                              +          =0
                       ∂x 2
                                  ∂y 2




                               {
Para (x,y) en el dominio R = u(x,y)
                                    0 < x < 0.5, 0 < y < 0.5     }   ,

 con las condiciones de frontera:
  U(0,y) = 0.      U(x,0) = 0, U(x,0.5) = 200x,      U(0.5,y) =
   200y.
• Si n = m = 4, el problema tiene la cuadrícula que se muestra y la
   ecuación de diferencias:
          4w i,j - w i+1,j - w i-1,j - w i,j+1 - w i,j-1 ) = 0
Para toda i = 1, 2, 3 y j = 1, 2,3.
Expresar esto en una función de los puntos
remarcados de la cuadrícula inferior i = u(Pi )
                                    W

implica que las ecuaciones en los puntos Pi
son:
     P1 :          4W1 - W2 - W4 = W0,3 + W1,4,
     P2 :     4W2 - W3 - W1 - W5 = W2,4 ,
     P3 :          4W3 - W2 - W6 = W4,3 + W3,4 ,
     P4 :     4W4 - W5 - W1 - W7 = W0,2,
     P5 : 4W5 - W6 - W4 - W2 - W8 = 0,
     P6 :     4W6 - W5 - W3 - W9 = W4,2,
     P7 :          4W7 - W8 - W4 = W0,1 - W1,0,
     P8 :     4W8 - W9 - W7 - W5 = W2,0 ,
     P9 :          4W9 - W8 - W6 = W3,0 - W4,1,
   Donde los lados derechos de las ecuaciones se
    obtienen de las condiciones de frontera.


                           u( x , 0.5 ) = 200x
                     0.5

                           P1       P2       P3

                           P4        P5      P6
         u( 0 , y ) = 0                                 u( 0.5 , y ) = 200y
                           P7       P8           P9




                                u( x , 0 ) = 0        0.5




        W1,0 = W2,0 = W3,0 = W0,1 = W0,2 = W0,3 = 0
        W1,4 = W4,1 = 25, W2,4 = W4,2 = 50, y W3,4 = W4,3 = 75
   Las condiciones de frontera implican que                         :
 4     -1    0     -1     0     0    0    0   0     W1     25 
                                                            ÷       ÷       ÷
                                                                   W2 ÷
             -1     4   -1      0     -1    0    0    0   0 ÷            50 ÷
             0    -1     4     0      0    -1    0    0   0÷    W ÷     150 ÷
                                                            ÷    3÷         ÷
             -1     0    0     4     -1     0   -1    0    0÷    W4 ÷    0 ÷
             0    -1     0    -1       4   -1    0   -1   0÷    W ÷ =   0 ÷
                                                            ÷    5÷         ÷
             0     0    -1     0     -1     4    0    0   -1÷    W6 ÷    50 ÷
             0                                                      ÷
                    0     0    -1      0    -1    4   -1   0÷     W7 ÷
                                                                          0 ÷
                                                            ÷                ÷
             0     0     0     0     -1     0   -1    4   -1÷   W ÷     0 ÷
                                                            ÷    8÷         ÷
             0     0     0     0      0    -1    0   -1   4    W ÷      25 
                                                                  9

En la tabla se muestran los valores de W1, W2 , …W9 ,
obtenidos al aplicar a esta matriz el método de Gauss-
Seidel.
        1          2          3         4         5        6      7       8        9
   i
   Wi   18.75      37.50      56.25     12.50     25.00    37.50 6.25     12.50    18.75



Las respuestas anteriores son exactas porque la verdadera
solución: 
                U( x , y ) = 400xy
ECUACIONES DIFERENCIALES PARCIALES ELIPTICAS

 Ingrese la cota menor de las abscisas(a):
0
Ingrese la cota mayor de las abscisas(b):
.5
Ingrese la cota menor de las ordenadas(c):
0
Ingrese la cota mayor de las ordenadas(d):
.5
Ingrese el numero de particiones de[a,b](n):
4
Ingrese el numero de particiones de[c,d](m):
4
Ingrese f(x,y):
0
Ingrese g(a,y):
0
Ingrese g(b,y):
200*y
Ingrese g(x,c):
0
Ingrese g(x,d):
200*x
Ingrese la tolerancia:
.0001
Ingrese el número máximo de iteraciones:
50
X=

         0       0.1250     0.2500   0.3750   0.5000

Y=

         0       0.1250     0.2500   0.3750   0.5000

v=

     0   25        50     75 100

t=

     0   25        50     75 100

F=

     0       0     0    0    0
     0       0     0    0    0
     0       0     0    0    0
     0       0     0    0    0
     0       0     0    0    0

w=

  6.3973 12.6695 18.9062
 12.6695 25.1248 37.5803
 18.9062 37.5802 56.2901

Excedió el numero máximo de iteraciones a N= 50.000
Procedimiento terminado sin éxito...
EJEMPLO 2
ECUACIONES DIFERENCIALES PARCIALES ELIPTICAS

 Ingrese la cota menor de las abscisas(a):
0
Ingrese la cota mayor de las abscisas(b):
2
Ingrese la cota menor de las ordenadas(c):
0
Ingrese la cota mayor de las ordenadas(d):
1
Ingrese el numero de particiones de[a,b](n):
5
Ingrese el numero de particiones de[c,d](m):
6
Ingrese f(x,y):
x*exp(y)
Ingrese g(a,y):
0
Ingrese g(b,y):
2*exp(y)
Ingrese g(x,c):
x
Ingrese g(x,d):
exp(x)
Ingrese la tolerancia:
.0000000001
Ingrese el número máximo de iteraciones:
60
X=

     0   0.4000   0.8000   1.2000   1.6000   2.0000


Y=

     0   0.1667   0.3333   0.5000   0.6667   0.8333   1.0000


v=

  1.0000   1.4918   2.2255   3.3201   4.9530    7.3891


t=

  2.0000   2.3627   2.7912   3.2974   3.8955    4.6020   5.4366


F=

     0     0     0    0        0      0     0
  0.4000   0.4725 0.5582     0.6595   0.7791    0.9204   1.0873
  0.8000   0.9451 1.1165     1.3190   1.5582    1.8408   2.1746
  1.2000   1.4176 1.6747     1.9785   2.3373    2.7612   3.2619
  1.6000   1.8902 2.2330     2.6380   3.1164    3.6816   4.3493
  2.0000   2.3627 2.7912     3.2974   3.8955    4.6020   5.4366


w=

  0.5546   0.7276   0.9078   1.1034   1.3002
  0.9752   1.1819   1.4165   1.6744   1.9438
  1.4312   1.7129   2.0457   2.4289   2.8583
  1.9121   2.2914   2.7464   3.3171   4.0316

Excedió el numero máximo de iteraciones a N= 60.000
Procedimiento terminado sin éxito...
>>
12534840 ecuaciones-diferenciales-parciales-elipticas

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  • 1. UNIVERSIDAD NACIONAL “HERMILIO VALDIZAN”- HUANUCO FACUL AD DE INGE RIA CIVIL Y ARQUIT CT T NIE E URA CURSO : MÉTODOS NUMÉRICOS P OFESOR R A : Jaimes Reátegui, Sumaya INTEGRANTES : Domínguez Muños, Jhon H. Mendoza Santiago, Brigner Salvador Salazar, Owner H HUÁNUCO – 2 009
  • 2.
  • 3. SOLUCIONES NUMÉRICAS PARA LAS ECUACIONES DIFERENCIALES PARCIALES CUERPO ISOTROPICO Si la conductividad térmica en cada uno de los puntos es independiente de la dirección del flujo de calor a través del punto. En un punto la Tº se obtiene resolviendo la siguiente ecuación donde k, c y p son funciones de (x, y, z) y representan, respectiva­mente, la conductividad térmica, el calor específico y la densidad del cuerpo en el punto (x, y, z). Cuando k, c y p son constantes, a esta ecuación se le denomina ecuación simple tridimensional del calor, y se expresa como Si la frontera del cuerpo es relativamente simple, la solución de esta ecuación se obtiene usando la serie de Fourier. En la general si k, c y no son constantes o cuando la frontera es irregular, la solución se obtiene mediante métodos de aproximación.
  • 4. consideraremos la ecuación diferencial parcial elíptica denominada ecuación de Poisson:   0  En esta ecuación suponemos que la función f describe los datos del problema en una región plana R cuya frontera denotamos con S. Este tipo de ecuaciones aparece de manera natural en el estudio de diversos problemas físicos dependientes del tiempo; por ejemplo la distribución de calor para estado estable en una región plana, la energía potencial de un punto en un plano sobre el que operan fuerzas gravitacionales y los problemas bidimencionales del estado estable que incluyen fluidos incompresibles.
  • 5.  Si la temperaturadentro de la region está determinada por su distribución en la frontera de la región, a las restricciones se les llama condiciones de frontera de Dirichlet. Éstas están dadas por  u(x,y) = g(x, y),  para toda (x, y) en S, o sea, la frontera de la región R. Véase la Fig.   y S (x,y):la temperatura se mantiene R constante a g(x,y) grados x
  • 6. Este método permite el cálculo de la derivada de orden r de señales discretas, a partir de la determinación de las diferencias centrales existentes entre datos consecutivos, la cual viene dada de forma general mediante:
  • 7. Para el cálculo de la derivada de cualquier orden se sustituye r en la ecuación anterior por el orden de la derivada de interes, obteniéndose para las derivadas de primer, segundo, tercer y cuarto orden las siguientes expresiones que corresponden a los valores de r=1; r=2; r=3 y r=4 respectivamente.
  • 8. En la forma de diferencias, esto da como resultado el método de las diferencias centrales con un error local de truncamiento del orden ;  h 2  h 2 2   ÷ + 1 w i,j ­ (w i+1,j + w i­1,j )­  ÷ (w i,j+1 + w i,j­1 ) = ­h2f (xi , y j )  k     k
  • 9.  Los métodos de Gauss y Cholesky hacen parte de los métodos directos o finitos. Al cabo de un número finito de operaciones, en ausencia de errores de redondeo, se obtiene x* solución del sistema Ax = b.  El método de Gauss-Seidel hace parte de los métodos llamados indirectos o Iterativos. En ellos se comienza con x0 = (x01; x02;…; x0n), una aproximación inicial de la solución. A partir de x0 se construye una 2nueva n aproximación de la solución, x1 = (x11; x1 ;…; x1 ). A partir de x1 se construye x2 (aquí el superíndice indica la iteración y no indica una potencia).  Asi sucesivamente se construye una sucesión de vectores {XK}, con el objetivo, no siempre garantizado, de que  
  • 10.  Generalmente los métodos indirectos son una buena opción cuando la matriz es muy grande y dispersa o rala (sparse), es decir, cuando el numero de elementos no nulos es pequeño comparado con n2, numero total de elementos de A. En estos casos se debe utilizar una estructura de datos adecuada que permita almacenar únicamente los elementos no nulos.  En cada iteración del método de Gauss-Seidel, hay n sub iteraciones. En la primera sub iteración se modifica únicamente x1. Las demás coordenadas x2, x3, ..., xn no se modifican. El calculo de x1 se hace de tal manera que se satisfaga la primera ecuación.
  • 11.  En la segunda sub iteración se modifica únicamente x2. Las demás coordenadas x1, x3, ..., xn no se modifican. El calculo de x2 se hace de tal manera que se satisfaga la segunda ecuación.  Así sucesivamente, en la n-esima sub iteración se modifica únicamente xn. las demás coordenadas x1, x2, ..., xn-1 no se modifican. El calculo de xn se hace de tal manera que se satisfaga la n-esima ecuación.
  • 12.  La ecuación diferencial parcial elíptica que estudiaremos es la ecuación de Poisson: ∂ 2u(x,y) ∂ 2u(x,y) ∇ 2u(x,y) = + = f(x,y) ; en (x,y) ∈ R y ∂x 2 ∂y 2  U(x, y) = g(x, y); para (x,y) S, donde: { R = (x,y) a < x < b, c < y < d } Y S denota la frontera de R. Para este análisis, suponemos que tanto f como g son continuas en sus dominios y que se garantiza una solución única.
  • 13. El método usado es una adaptación de la técnica de diferencias para problemas con valor de frontera. El primer paso h = ( b – a ) / n y k = ( d – c ) / m. La división del intervalo [ a , b ] en n partes iguales de ancho h, y del intervalo [ c , d ] en m partes iguales de ancho k da como resultado una (xi ,y j ) cuadricula en el rectángulo R al trazar líneas verticales y horizontales a través de los puntos con coordenadas , donde ym = d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi = a + ih, para cada i = 0, 1, 2, 3, . . . , n, y2 . . . yi = c + jk, para cada j = 0, 1, 2, 3, . . . , m. y1 . . . y0 = c x 0= a x1 x2 x3 x4 x n= b
  • 14. Las líneas son líneas de cuadrícula, y sus intersecciones son los puntos de red de la cuadrícula. En cada punto de red del interior de la cuadrícula con i = 1, 2, …, n-1 y con j = 1, 2, …, m- 1, utilizando la serie de Taylor en la variable x alrededor de Xi para generar la fórmula de las diferencias centrales: ∂2u(x i , y j ) u(x i + 1, y j ) - 2*u(x i , y j ) + u(x i - 1, y j ) h2 ∂4u = - ( ℑ, y j ), i ∂x 2 h2 12 ∂x 4 Donde ℑ ∈ (x i - 1, x i +1 ) i  También usamos la serie de Taylor en la variable y alrededor de Yi para generar la fórmula de las diferencias centrales: ∂ 2u(xi , y j ) u(x i , y j+1 ) - 2*u(x i, y j ) + u(x i , y j - 1 ) h2 ∂ 4 u = - ( xi , η j ), ∂x 2 k2 12 ∂ y 4 Donde ηi ∈ ( y i - 1, y i +1 )
  • 15. El uso de estas fórmulas nos permite expresar la ecuación de Poisson en los puntos como: (xi ,y j ) u(xi+1, y j )-2*u(x i , y j )+u(xi-1, y j ) u(x i, y j+1 )-2*u(x i, y j )+u(xi , y j-1 ) h2 ∂ 4 u h2 ∂ 4 u + = f(xi ,y j )+ ( ℑi , y j )+ ( xi , η j ) h2 k2 12 ∂x 4 12 ∂y 4 Para toda i = 1, 2, … , n-1 y j = 1, 2, …, m-1 y las condiciones de frontera como: u(x o , y j ) = g(x o , y j ), para cada j = 0, 1, ... ,m, u(xn , y j ) = g(xn , y j ), para cada j = 0, 1, ... ,m, u(xi , y 0 ) = g(x i , y 0 ), para cada i = 0, 1, ... ,n - 1, u(xi , y m ) = g(xi , y m ), para cada i = 0, 1, ... ,n - 1.
  • 16. En la forma de diferencias, esto da como resultado el método de las diferencias centrales con un error local de truncamiento del orden o(h2 + k 2 ) ;  h  2  h 2 2  ÷ + 1 w i,j - (w i+1,j + w i-1,j )-  ÷ (w i,j+1 + w i,j-1 ) = -h2f (x i , y j )  k     k Para toda i = 1, 2, … , n-1 y j = 1, 2, …, m-1, y uo j = g(x o , y j ), para cada j = 0, 1, ... ,m, un j = g(x n , y j ), para cada j = 0, 1, ... ,m, ui0 = g(x i , y 0 ), para cada i = 0, 1, ... ,n - 1, uim = g(x i , y m ), para cada i = 0, 1, ... ,n - 1.  Donde w i,j aproxima u(xi ,y j ) .
  • 17. La ecuación común contiene aproximaciones a u(x,y) en los puntos : u(x i+1, y j ),u(x i , y j ),u(x i-1, y j ),u(x i, y j+1 ),u(x i , y j-1 ) Al reducir la parte de la cuadrícula donde estos puntos están situados, se observa que cada ecuación contiene aproximaciones en una región en forma de estrella alrededor de (xi , y j ) d yj + 1 X yj X X X yj -1 X c a xi - 1 xi xi + 1 b
  • 18. Si utilizamos la información de las condiciones de frontera siempre que sea conveniente en el sistema dado, es decir, en todos los puntos (x i , y j ) adyacentes al punto de red de la frontera, tendremos un sistema lineal (n-1)(m-1) por (n-1)(m-1) cuyas incógnitas son las aproximaciones w i,j a u(xi ,y j ) en el interior de los puntos de red.   El sistema lineal que contiene estas incógnitas se expresa más eficientemente en cálculos matriciales, si se introduce un remarcaje de los puntos interiores de la red. Un sistema de marcaje de estos puntos consiste en utilizar Pl = (xi , y j ) y Wl = w i,j, Donde l = i + (m - 1 – j)(n – 1), para toda i = 1, 2, … , n-1 y j = 1, 2, …, m-1. Y así se marcan consecutivamente los puntos de red de izquierda a derecha y de arriba abajo. Por ejemplo, con n = 4 y m = 5 con el remarque se obtiene una cuadrícula cuyos puntos se muestran en el gráfico. Al marcar los puntos de este modo, se garantiza que el sistema necesario para determinar sea una matriz de banda con un ancho de banda máximo de 2n-1.
  • 19. y5 P1 P2 P3 y4 P4 P5 P6 y3 y2 P7 P8 P9 y1 P10 P11 P12 y0 xo x1 x2 x3 x4
  • 20. a, b, c, d, m, n, PROCESO PROCESO X, Y, v,t, f, g(condiciones F, w de frontera), tol, N
  • 21. a: Limite inferior de las abscisas b: Limite superior de las abscisas c: Limite inferior de las ordenadas d: Limite superior de las ordenadas n: Numero de particiones del intervalo [a,b] m: Numero de particiones del intervalo [c,d] fun1: La función general, g(x,y) fun2: La función, f(x,y) tol: Tolerancia para las iteraciones N: El numero de iteraciones w(i,j): Variable matricial que aproxima a g(x,y) h: Equidistancia entre los nudos horizontales k: Equidistancia entre los nudos verticales l: Contador que asigna el número de iteraciones norm: Variable estático o valor constante X: Vector fila que representa a las abscisas Y: Vector fila que representa a las ordenadas F: Matriz que representa a los puntos de f(x,y) G: Matriz que representa a los puntos de G(x,y)
  • 22. Para el comprender mejor el programa se ha realizado un diagrama de flujo, mediante el cual este programa puede ser codificado en cualquier lenguaje de programación, facilitando así a la persona interesada en programar este tema.
  • 23. INICIO INICIO LEER:a,b,c,d,n,m,fun,fun1,fun2,fun LEER:a,b,c,d,n,m,fun,fun1,fun2,fun F=zeros(n+1,m+1); 3,fun4,tol,N F=zeros(n+1,m+1); 3,fun4,tol,N FOR i=1: n+1 FOR i=1: n+1 h=(b-a)/n; k=(d-c)/m; h=(b-a)/n; k=(d-c)/m; X=zeros(1,n+1); Y=zeros(1,m+1); FOR j=1:m+1 X=zeros(1,n+1); Y=zeros(1,m+1); FOR j=1:m+1 v=zeros(1,n+1); t=zeros(1,m+1); v=zeros(1,n+1); t=zeros(1,m+1); y=Y(j); y=Y(j); FOR i=1: n+1 x=X(i); FOR i=1: n+1 x=X(i); F(i,j)=eval(fun); F(i,j)=eval(fun); X(i)=a+(i-1)*h; NEXT (j) X(i)=a+(i-1)*h; NEXT (j) NEXT (i) NEXT (i) NEXT (i) NEXT (i) FOR j=1: m+1 w=zeros(n-1,m-1); FOR j=1: m+1 w=zeros(n-1,m-1); la=(h^2)/(k^2); la=(h^2)/(k^2); Y(i)=a+(i-1)*k; mu=2*(1+la); l=1; Y(i)=a+(i-1)*k; mu=2*(1+la); l=1; NEXT (j) WHILE l<=N NEXT (j) WHILE l<=N FOR i=1: n+1 z=(-h^2*F(2,m)+Y(m)+la*v(2)+la*w(1,m-2)+w(2,m-1))/mu; FOR i=1: n+1 z=(-h^2*F(2,m)+Y(m)+la*v(2)+la*w(1,m-2)+w(2,m-1))/mu; norm=abs(z-w(1,m-1)); x= X(i); v(i)=eval(fun4); norm=abs(z-w(1,m-1)); x= X(i); v(i)=eval(fun4); w(1,m-1)=z; w(1,m-1)=z; NEXT (i) FOR i=3: n-1 NEXT (i) FOR i=3: n-1 FOR j=1: m+1 FOR j=1: m+1 z=(-h^2*F(i,m)+la*v(i)+w(i-2,m-1)+w(i,m-1)+la*w(i-1,m-2))/mu; z=(-h^2*F(i,m)+la*v(i)+w(i-2,m-1)+w(i,m-1)+la*w(i-1,m-2))/mu; y=Y(j); t(j)=eval(fun2) y=Y(j); t(j)=eval(fun2) abs(w(i-1,m-1)-z)>norm F abs(w(i-1,m-1)-z)>norm NEXT (j) F NEXT (j) V V norm=abs(w(i-1,m-1)-z); norm=abs(w(i-1,m-1)-z); w(i-1,m-1)=z; w(i-1,m-1)=z; NEXT (i) NEXT (i) A A
  • 24. A B A B z=(-h^2*F(n,m)+t(m)+la*v(n)+w(n-2,m-1)+la*w(n-1,m-2))/mu z=(-h^2*F(n,m)+t(m)+la*v(n)+w(n-2,m-1)+la*w(n-1,m-2))/mu z=(-h^2*F(n,j)+t(j)+w(n-2,j-1)+la*w(n-1,j)+la*w(n-1,j-2))/mu; abs(w(n-1,m-1)-z)>norm F abs(w(n-1,m-1)-z)>norm abs(w(n-1,j-1)-z)>norm F F abs(w(n-1,j-1)-z)>norm F V V V V norm=abs(w(n-1,m-1)-z); norm=abs(w(n-1,m-1)-z); norm=abs(w(n-1,j-1)-z); w(n-1,m-1)=z; norm=abs(w(n-1,j-1)-z); w(n-1,m-1)=z; w(n-1,j-1)=z; w(n-1,j-1)=z; for j=m-1:-1:3 for j=m-1:-1:3 NEXT (j) NEXT (j) z=(-h^2*F(2,j)+Y(j)+la*w(1,j)+la*w(1,j-2)+w(2,j-1))/mu z=(-h^2*F(2,2)+G(1,2)+la*G(2,1)+la*w(1,2)+w(2,1))/mu; abs(w(1,j-1)-z)>norm F abs(w(1,j-1)-z)>norm F abs(w(1,1)-z)>norm F abs(w(1,1)-z)>norm F V V V norm=abs(w(1,j-1)-z); V norm=abs(w(1,j-1)-z); w(1,j-1)=z; norm=abs(w(1,1)-z); w(1,j-1)=z; norm=abs(w(1,1)-z); w(1,1)=z; w(1,1)=z; FOR i=3:n-1 FOR i=3:n-1 FOR i=3:n-1 z=(-h^2*F(i,j)+w(i-2,j-1)+la*w(i-1,j)+w(i,j-1)+la*w(i-1,j-2))/mu FOR i=3:n-1 z=(-h^2*F(i,j)+w(i-2,j-1)+la*w(i-1,j)+w(i,j-1)+la*w(i-1,j-2))/mu z=(-h^2*F(i,2)+la*X(i)+w(i-2,1)+la*w(i-1,2)+w(i,1))/mu; abs(w(i-1,j-1)-z)>norm abs(w(i-1,j-1)-z)>norm abs(w(i-1,1)-z)>norm F abs(w(i-1,1)-z)>norm F F F V V V V norm=abs(w(i-1,j-1)-z); norm=abs(w(i-1,j-1)-z); norm=abs(w(i-1,1)-z); w(i-1,j-1)=z; norm=abs(w(i-1,1)-z); w(i-1,j-1)=z; w(i-1,1)=z; w(i-1,1)=z; NEXT (i) B C NEXT (i) NEXT (i) B C NEXT (i)
  • 25. C C z=(-h^2*F(n,2)+t(2)+la*X(n)+w(n-2,1)+la*w(n-1,2))/mu z=(-h^2*F(n,2)+t(2)+la*X(n)+w(n-2,1)+la*w(n-1,2))/mu abs(w(n-1,j1)-z)>norm abs(w(n-1,j1)-z)>norm F F V V norm=abs(w(n-1,1)-z); norm=abs(w(n-1,1)-z); w(n-1,1)=z; w(n-1,1)=z; norm <= tol norm <= tol F l==N F F l==N F V V V V IMPRIMIR X, Y, v,t, F, w,“Procedimiento terminado con éxito IMPRIMIR X, Y, v,t, F, w, ”Excedió el numero máximo de IMPRIMIR X, Y, v,t, F, w,“Procedimiento terminado con éxito para l” IMPRIMIR X, Y, v,t, F, w, ”ExcedióN” numero máximo de iteraciones a el para l” iteraciones a N” “Procedimiento terminado sin éxito…” “Procedimiento terminado sin éxito…” l=N; l=N; l=l+1; l=l+1; END WHILE END WHILE END END
  • 27.
  • 28.
  • 29.
  • 30.
  • 31. OBSERVACIONES El numero de particiones; h, k; deben ser mayores o iguales que 3. El tipo de problema que se presenta es mayormente de temperaturas de placas o semejante a ellos con consideraciones de frontera. En el grafico que se muestra al ejecutar el programa la parte oscura representa temperatura cero en las tronteras. El resultado se muestra en una matriz (A) que es lo mismo que (w) que tiene dimensiones de (n-1 x m-1),
  • 32. EJEMPLO  Consideremos el problema de determinar la distribución de calor en estado estable, en una placa cuadrada metálica delgada, con las dimensiones 0.5 m por 0.5 m. Conservamos dos fronteras adyacentes de 0º C, mientras el calor en las otras dos fronteras aumenta linealmente de 0º C en una esquina a 100º C en el sitio donde ambos lados se encuentran. Si ponemos los lados con las condiciones de frontera cero a lo largo de los ejes x y y, el problema se expresa así: ∂2u(x,y) ∂2u(x,y) + =0 ∂x 2 ∂y 2 { Para (x,y) en el dominio R = u(x,y) 0 < x < 0.5, 0 < y < 0.5 } , con las condiciones de frontera: U(0,y) = 0. U(x,0) = 0, U(x,0.5) = 200x, U(0.5,y) = 200y. • Si n = m = 4, el problema tiene la cuadrícula que se muestra y la ecuación de diferencias: 4w i,j - w i+1,j - w i-1,j - w i,j+1 - w i,j-1 ) = 0
  • 33. Para toda i = 1, 2, 3 y j = 1, 2,3. Expresar esto en una función de los puntos remarcados de la cuadrícula inferior i = u(Pi ) W implica que las ecuaciones en los puntos Pi son: P1 : 4W1 - W2 - W4 = W0,3 + W1,4, P2 : 4W2 - W3 - W1 - W5 = W2,4 , P3 : 4W3 - W2 - W6 = W4,3 + W3,4 , P4 : 4W4 - W5 - W1 - W7 = W0,2, P5 : 4W5 - W6 - W4 - W2 - W8 = 0, P6 : 4W6 - W5 - W3 - W9 = W4,2, P7 : 4W7 - W8 - W4 = W0,1 - W1,0, P8 : 4W8 - W9 - W7 - W5 = W2,0 , P9 : 4W9 - W8 - W6 = W3,0 - W4,1,
  • 34. Donde los lados derechos de las ecuaciones se obtienen de las condiciones de frontera. u( x , 0.5 ) = 200x 0.5 P1 P2 P3 P4 P5 P6 u( 0 , y ) = 0 u( 0.5 , y ) = 200y P7 P8 P9 u( x , 0 ) = 0 0.5 W1,0 = W2,0 = W3,0 = W0,1 = W0,2 = W0,3 = 0 W1,4 = W4,1 = 25, W2,4 = W4,2 = 50, y W3,4 = W4,3 = 75  Las condiciones de frontera implican que :
  • 35.  4 -1 0 -1 0 0 0 0 0   W1   25   ÷  ÷  ÷ W2 ÷  -1 4 -1 0 -1 0 0 0 0 ÷   50 ÷  0 -1 4 0 0 -1 0 0 0÷ W ÷ 150 ÷  ÷  3÷  ÷  -1 0 0 4 -1 0 -1 0 0÷  W4 ÷  0 ÷  0 -1 0 -1 4 -1 0 -1 0÷ W ÷ = 0 ÷  ÷  5÷  ÷  0 0 -1 0 -1 4 0 0 -1÷  W6 ÷  50 ÷  0  ÷ 0 0 -1 0 -1 4 -1 0÷  W7 ÷ 0 ÷  ÷  ÷  0 0 0 0 -1 0 -1 4 -1÷ W ÷ 0 ÷  ÷  8÷  ÷  0 0 0 0 0 -1 0 -1 4 W ÷  25   9 En la tabla se muestran los valores de W1, W2 , …W9 , obtenidos al aplicar a esta matriz el método de Gauss- Seidel. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 i Wi 18.75 37.50 56.25 12.50 25.00 37.50 6.25 12.50 18.75 Las respuestas anteriores son exactas porque la verdadera solución:  U( x , y ) = 400xy
  • 36. ECUACIONES DIFERENCIALES PARCIALES ELIPTICAS Ingrese la cota menor de las abscisas(a): 0 Ingrese la cota mayor de las abscisas(b): .5 Ingrese la cota menor de las ordenadas(c): 0 Ingrese la cota mayor de las ordenadas(d): .5 Ingrese el numero de particiones de[a,b](n): 4 Ingrese el numero de particiones de[c,d](m): 4 Ingrese f(x,y): 0 Ingrese g(a,y): 0 Ingrese g(b,y): 200*y Ingrese g(x,c): 0 Ingrese g(x,d): 200*x Ingrese la tolerancia: .0001 Ingrese el número máximo de iteraciones: 50
  • 37. X= 0 0.1250 0.2500 0.3750 0.5000 Y= 0 0.1250 0.2500 0.3750 0.5000 v= 0 25 50 75 100 t= 0 25 50 75 100 F= 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 w= 6.3973 12.6695 18.9062 12.6695 25.1248 37.5803 18.9062 37.5802 56.2901 Excedió el numero máximo de iteraciones a N= 50.000 Procedimiento terminado sin éxito...
  • 38.
  • 39. EJEMPLO 2 ECUACIONES DIFERENCIALES PARCIALES ELIPTICAS Ingrese la cota menor de las abscisas(a): 0 Ingrese la cota mayor de las abscisas(b): 2 Ingrese la cota menor de las ordenadas(c): 0 Ingrese la cota mayor de las ordenadas(d): 1 Ingrese el numero de particiones de[a,b](n): 5 Ingrese el numero de particiones de[c,d](m): 6 Ingrese f(x,y): x*exp(y) Ingrese g(a,y): 0 Ingrese g(b,y): 2*exp(y) Ingrese g(x,c): x Ingrese g(x,d): exp(x) Ingrese la tolerancia: .0000000001 Ingrese el número máximo de iteraciones: 60
  • 40. X= 0 0.4000 0.8000 1.2000 1.6000 2.0000 Y= 0 0.1667 0.3333 0.5000 0.6667 0.8333 1.0000 v= 1.0000 1.4918 2.2255 3.3201 4.9530 7.3891 t= 2.0000 2.3627 2.7912 3.2974 3.8955 4.6020 5.4366 F= 0 0 0 0 0 0 0 0.4000 0.4725 0.5582 0.6595 0.7791 0.9204 1.0873 0.8000 0.9451 1.1165 1.3190 1.5582 1.8408 2.1746 1.2000 1.4176 1.6747 1.9785 2.3373 2.7612 3.2619 1.6000 1.8902 2.2330 2.6380 3.1164 3.6816 4.3493 2.0000 2.3627 2.7912 3.2974 3.8955 4.6020 5.4366 w= 0.5546 0.7276 0.9078 1.1034 1.3002 0.9752 1.1819 1.4165 1.6744 1.9438 1.4312 1.7129 2.0457 2.4289 2.8583 1.9121 2.2914 2.7464 3.3171 4.0316 Excedió el numero máximo de iteraciones a N= 60.000 Procedimiento terminado sin éxito... >>