主要内容

求解时滞微分方程

时滞微分方程(DDEs)是常微分方程,它将当前时刻的解与过去时刻的解联系起来。这种延迟可以是恒定的、依赖于时间的、依赖于状态的或依赖于导数的。为了开始集成,通常必须提供解决方案历史记录,以便在初始集成点之前求解器可以多次访问解决方案。

恒定延迟dd

常时滞微分方程组的形式为:

y t f t y t y t τ 1 ... y t τ k

在这里,t是自变量,y是因变量的列向量,和y表示的一阶导数y关于t.拖延,τ1、……τk,都是正常数。

dde23函数求解具有历史常数延迟的ddeyt) =年代t)t<t0

dde的解一般是连续的,但它们的导数具有不连续性。的dde23函数在低阶导数中跟踪不连续。它将微分方程与所使用的相同的显式龙格-库塔(2,3)对和插值函数集成在一起ode23.龙格-库塔公式隐含在步长大于延迟的情况下。当yt)足够平滑,可以证明这么大的步骤,隐式公式由预测-校正迭代计算。

依赖时间和依赖状态的dde

恒定时延是一般DDE形式的特例:

y t f t y t y d y 1 ... y d y p

依赖时间和依赖状态的dde涉及延迟dy1、……dyk这取决于时间t和国家y.延误dyjty)必须满足dyjty)≤t在区间上[t0tf)与t0<tf

ddesd函数找到了解,yt),对于具有历史的依赖时间和依赖状态的ddeyt) =年代t)t<t0.的ddesd函数集成了经典的四级四阶显式龙格-库塔法,并控制了自然插值的残差大小。它使用迭代来采取比延迟更长的步骤。

中立型dde

中立型时滞微分方程涉及时滞y,以及y

y t f t y t y d y 1 ... y d y p y d y p 1 ... y d y p

解决方案中的延迟必须令人满意dyty)≤t.一阶导数中的延迟必须满足多元印刷jty) <ty等式的两边都没有出现。

ddensd函数通过对依赖时间和依赖状态的延迟所给出的形式近似dde来求解中立型dde:

y t f t y t y d y 1 ... y d y p

有关更多信息,请参见shammpine[1]

在特定点上评估解决方案

使用德瓦尔函数和任何DDE求解器的输出来评估积分区间中特定点的解。例如,Y = deval(sol, 0.5*(sol.x(1) + sol.x(end)))求积分区间中点处的解。

历史和初始值

当你解一个DDE时,你在一个区间上近似解[t0tf)与t0<tf.dde说明了这一点y”(t)取决于解(可能还有它的导数)在t.例如,持续的延迟y”(t0)取决于yt0- - - - - -τ1),…yt0- - - - - -τk)为正常数τj.正因为如此,[上的解]t0tk取决于它的值tt0.你必须用历史函数定义这些值,yt) =年代t)t<t0

dd的不连续性

如果你的问题有不连续的地方,最好使用选项结构将它们传达给求解器。要做到这一点,请使用ddeset函数来创建选项结构,包含问题中的不连续点。

中有三个属性选项结构,可用于指定不连续;克尔跳跃,事件.选择的属性取决于不连续点的位置和性质。

不连续的性质

财产

评论

在初始值处tt0

克尔

通常是初始值yt0)为年代t0),表示解在初始点是连续的。方法提供不同的初始值克尔财产。

在历史中,即解在t<t0,或代入系数式中t>t0

跳跃

提供已知位置t的值跳跃财产。仅适用于dde23

依赖政府

事件

dde23ddesd,ddensd使用您提供的事件函数来定位这些不连续点。当求解器发现这样的不连续时,重新启动集成以继续。指定当前集成的解决方案结构作为新集成的历史记录。求解器在每次重新启动后扩展解结构的每个元素,以便最终结构为整个积分区间提供解。如果新问题涉及解决方案中的更改,则使用克尔属性以指定新集成的初始值。

传播的不连续性

一般来说,解的一阶导数在初始点有一个跳变。这是因为历史函数的一阶导数,年代t),此时通常不满足DDE。的任何导数的不连续yt的间隔向未来传播τ1、……τk当延迟是恒定的。如果延迟不是恒定的,不连续的传播就更加复杂。中形式的中性dde恒定延迟dd而且依赖时间和依赖状态的dde,每次传播时,不连续都出现在下一阶导数中。在这种意义上,随着集成的进行,解决方案会变得更加流畅。中给出的中性dde的解中立型dde有很大的不同。解中的不连续不会传播到高阶导数。特别是典型的跳进去y”(t)t0以跳入的方式进行传播y”(t在()t0tf]。

DDE示例和文件

对于大多数常见的DDE问题,有几个可用的示例文件可以作为很好的起点。要方便地研究和运行示例,只需使用微分方程的例子要运行这个应用程序,输入

odeexamples
要打开单个示例文件进行编辑,请键入
编辑exampleFileName.m
要运行一个示例,输入
exampleFileName

该表包含可用的DDE示例文件的列表,以及它们使用的求解器和选项。

示例文件

解算器使用 选项指定

描述

例子链接

ddex1

dde23

- - - - - -

具有恒定历史的DDE

具有恒定延迟的DDE

ddex2

dde23

  • “跳跃”

具有不连续的DDE

不连续的心血管模型DDE

ddex3

ddesd

- - - - - -

具有状态相关延迟的DDE

具有状态相关延迟的DDE

ddex4

ddensd

- - - - - -

具有两个延迟的中立DDE

中性类型的DDE

ddex5

ddensd

- - - - - -

具有初始值的中性DDE

中性型DDE的初始值

参考文献

[1] Shampine, L.F.“中性DDEs的耗散近似”。应用数学与计算, 2008年第203卷,第641-648页。

另请参阅

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