Afim de
ilustrar de maneira direta a influência
que o número de iterações tem na
obtenção da resolução de problemas de
valor inicial, foram plotados gráficos
para cada uma dos métodos (Euler Normal,
Euler Expendido e Euler Modificado),
para os dois PVIs estudados, onde tem-se
as curvas das soluções aproximadas
encontradas com um número variado de
iterações.
Gráfico
7. Método de Euler na resolução do
PVI1 (y' = sen(x) - y, y(0)=0,5)
para diferentes números de
iterações.
Gráfico
8. Método de Euler na resolução do
PVI2 (y' = -2xy/(1+x2)),
y(-3)=0,1) para diferentes números
de iterações.
Os
gráficos (7) e (8) apresentam o
desempenho do método de Euler Normal
na resolução dos PVIs para um número
de iterações de 8, 32, 128, 1024
iterações. Verifica-se que para o PVI1
(gráfico(7)), o método tem um bom
ganho na precisão, quando o número de
iterações aumenta de 8 para 32
iterações, e posteriormente, quando se
tem um incremento nas iterações para
128 este ganho passa a não ser mais
significativo, mas no entanto aproxima
ainda mais o valor da solução numérica
a exata. Quando em 1024 iterações, a
solução numérica parece que não se
altera, pelo menos graficamente.
Praticamente, o mesmo pode ser
afirmado para o gráfico (8) onde
têm-se a resolução do PVI2, com a
ressalva de que é claramente
perceptível que o aumento de 128 para
1024 iterações melhorou muito a
precisão do método.
Gráfico
9. Método de Euler Expandido na
resolução do PVI1 (y' = sen(x) - y,
y(0)=0,5) para diferentes números de
iterações.
Gráfico
10. Método de Euler Expandido na
resolução do PVI2 (y' = -2xy/(1+x2)),
y(-3)=0,1) para diferentes números
de iterações.
Os
gráficos (9) e (10) apresentam o
método de Euler Expandido na resolução
dos PVI1 e PVI2 para valores de n de
3, 5 e 7. Verifica-se pelo gráfico (9)
que para um número baixo de iterações
(32), já se consegue bons resultados
na resolução do PVI1, tendo uma
sobreposição das curvas onde n=5 e 7,
e a curva da solução exata. Para o
gráfico (10) (PVI2), isto também
ocorre, revelando que o truncamento no
terceiro termo da série de Taylor
consegue melhorar de sobremaneira a
convergência do método para soluções
mais aproximadas a solução exata.
Pode-se visualizar ainda pelo gráfico
(9) que existe no final do intervalo
[-3,3], um feixe de linhas indicando
que nesta região ainda há desvios da
solução exata, provavelmente erros de
propagação.
Gráfico
11. Método de Euler Modificado na
resolução do PVI1 (y' = sen(x) - y,
y(0)=0,5) para diferentes números de
iterações.
Os
gráficos (11) e (12) apresentam o
método de Euler Modificado na
resolução dos PVIs 1 e 2 para um
número de iterações de 8, 32 e 128
iterações. No gráfico (11), novamente
pode-se constatar que um baixo número
de iterações é necessário para uma
razoável aproximação da solução exata
do PVI1. Com o gráfico (12) isto
ocorre quando o número de iterações é
de 128, quando a solução numérica
praticamente sobrepõe a exata, pelo
menos graficamente (o termo
'graficamente' é utilizado
referindo-se ao fato de que desvios
entre as soluções numéricas e exatas
menores que 10-3 não
conseguem ser visualizadas nos
gráficos com as escalas presentes nos
eixos coordenados). Para o gráfico
(12), o problema do feixe de linhas
existente no gráfico (9) - Euler
Expandido - não mais existe, isto
porque o método de Euler Modificado,
como citado na descrição teórica dos
métodos, foi concebido para diminuir
os erros de propagação. Logo,
observa-se que o Euler Modificado
consegue atenuar os erros de
propagação.
Gráfico
12. Método de Euler Modificado na
resolução do PVI2 (y' = -2xy/(1+x2)),
y(-3)=0,1)
para diferentes números de
iterações.
Note entre
os gráficos (8), (10) e (12) que as
curvas formadas pelas soluções
numéricas encontradas pelo método de
Euler Expandido se aproxima da solução
analítica pela parte de cima do
traçado da mesma, enquanto que o
método de Euler Normal e Modificado
pela parte inferior, subindo até
encontrar a curva da solução
analítica. Isto ocorre justamente por
adotar uma fórmula onde o terceiro
termo da série de Taylor está
presente, onde para valores menores de
n, os tamanhos de passo são maiores, e
consequentemente o valor do terceiro
termo da série, afinal o tamanho de
passo(h) aparece elevado ao quadrado.
Normalmente
não se tem a resolução analítica do
problema de valor inicial, e portanto
não se sabe qual o comportamento exato
da curva com as soluções exatas do
PVI. Neste caso, pode-se plotar as
várias soluções numéricas encontradas
para diferentes número de iterações, e
verificar o comportamento das curvas
formadas. Se não consegue-se perceber
diferenças entre as curvas para uma
certa faixa de iterações, e portanto
as curvas começam a se sobrepor, isto
é um indicativo que o comportamento da
função solução analítica está sendo
bem representado, isto é, os desvios
são imperceptíveis graficamente.
Para
ilustrar tal situação, tentou-se
utilizando o método de Euler Normal e
o Modificado, a resolução do seguinte
PVI sem solução analítica:
PVI3
O
resultado pode ser visualizado nos
gráficos (13) e (14).
Gráfico
13. Método de Euler na resolução do
PVI3 (y' = 2xy + 1, y(0)=0) para
diferentes números de iterações.
O que se
verifica no gráfico (13) é que a
partir de 512 iterações (n=9 => 29),
as curvas de solução numérica
utilizando o método de Euler Normal
começam a se sobrepor no intervalo
[0,1]. Isto indica que a adoção deste
método para obter bons valores, isto
é, valores que mais se aproximam da
solução exata do problema é necessário
que utilizemos mais de 500 iterações.
O mesmo não se verifica para o gráfico
(14) onde se adotou o método de Euler
Modificado. As curvas começam a se
sobrepor em um número muito menor de
iterações. Pode se afirmar que no
intervalo [0,1], o erro de propagação
é muito baixo, na resolução numérica
deste PVI, logo um baixo número de
iterações, 8 por exemplo, pode
representar bem a solução exata do
problema.
Gráfico
14. Método de Euler Modificado na
resolução do PVI3 (y' = 2xy + 1,
y(0)=0) para diferentes números de
iterações.
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