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Text File  |  1997-08-13  |  6KB  |  190 lines

  1. @c Copyright (C) 1996, 1997 John W. Eaton
  2. @c This is part of the Octave manual.
  3. @c For copying conditions, see the file gpl.tex.
  4.  
  5. @node Differential Equations, Optimization, Quadrature, Top
  6. @chapter Differential Equations
  7.  
  8. Octave has two built-in functions for solving differential equations.
  9. Both are based on reliable ODE solvers written in Fortran.
  10.  
  11. @menu
  12. * Ordinary Differential Equations::  
  13. * Differential-Algebraic Equations::  
  14. @end menu
  15.  
  16. @cindex Differential Equations
  17. @cindex ODE
  18. @cindex DAE
  19.  
  20. @node Ordinary Differential Equations, Differential-Algebraic Equations, Differential Equations, Differential Equations
  21. @section Ordinary Differential Equations
  22.  
  23. The function @code{lsode} can be used Solve ODEs of the form
  24. @iftex
  25. @tex
  26. $$
  27.  {dx\over dt} = f (x, t)
  28. $$
  29. @end tex
  30. @end iftex
  31. @ifinfo
  32.  
  33. @example
  34. dx
  35. -- = f (x, t)
  36. dt
  37. @end example
  38. @end ifinfo
  39.  
  40. @noindent
  41. using Hindmarsh's ODE solver @sc{Lsode}.
  42.  
  43. @deftypefn {Loadable Function} {} lsode (@var{fcn}, @var{x0}, @var{t}, @var{t_crit})
  44. Return a matrix of @var{x} as a function of @var{t}, given the initial
  45. state of the system @var{x0}.  Each row in the result matrix corresponds
  46. to one of the elements in the vector @var{t}.  The first element of
  47. @var{t} corresponds to the initial state @var{x0}, so that the first row
  48. of the output is @var{x0}.
  49.  
  50. The first argument, @var{fcn}, is a string that names the function to
  51. call to compute the vector of right hand sides for the set of equations.
  52. It must have the form
  53.  
  54. @example
  55. @var{xdot} = f (@var{x}, @var{t})
  56. @end example
  57.  
  58. @noindent
  59. where @var{xdot} and @var{x} are vectors and @var{t} is a scalar.
  60.  
  61. The fourth argument is optional, and may be used to specify a set of
  62. times that the ODE solver should not integrate past.  It is useful for
  63. avoiding difficulties with singularities and points where there is a
  64. discontinuity in the derivative.
  65. @end deftypefn
  66.  
  67. Here is an example of solving a set of three differential equations using
  68. @code{lsode}.  Given the function
  69.  
  70. @cindex oregonator
  71.  
  72. @example
  73. @group
  74. function xdot = f (x, t)
  75.  
  76.   xdot = zeros (3,1);
  77.  
  78.   xdot(1) = 77.27 * (x(2) - x(1)*x(2) + x(1) \
  79.             - 8.375e-06*x(1)^2);
  80.   xdot(2) = (x(3) - x(1)*x(2) - x(2)) / 77.27;
  81.   xdot(3) = 0.161*(x(1) - x(3));
  82.  
  83. endfunction
  84. @end group
  85. @end example
  86.  
  87. @noindent
  88. and the initial condition @code{x0 = [ 4; 1.1; 4 ]}, the set of
  89. equations can be integrated using the command
  90.  
  91. @example
  92. @group
  93. t = linspace (0, 500, 1000);
  94.  
  95. y = lsode ("f", x0, t);
  96. @end group
  97. @end example
  98.  
  99. If you try this, you will see that the value of the result changes
  100. dramatically between @var{t} = 0 and 5, and again around @var{t} = 305.
  101. A more efficient set of output points might be
  102.  
  103. @example
  104. @group
  105. t = [0, logspace (-1, log10(303), 150), \
  106.         logspace (log10(304), log10(500), 150)];
  107. @end group
  108. @end example
  109.  
  110. @deftypefn {Loadable Function} {} lsode_options (@var{opt}, @var{val})
  111. When called with two arguments, this function allows you set options
  112. parameters for the function @code{lsode}.  Given one argument,
  113. @code{lsode_options} returns the value of the corresponding option.  If
  114. no arguments are supplied, the names of all the available options and
  115. their current values are displayed.
  116. @end deftypefn
  117.  
  118. See Alan C. Hindmarsh, @cite{ODEPACK, A Systematized Collection of ODE
  119. Solvers}, in Scientific Computing, R. S. Stepleman, editor, (1983) for
  120. more information about the inner workings of @code{lsode}.
  121.  
  122. @node Differential-Algebraic Equations,  , Ordinary Differential Equations, Differential Equations
  123. @section Differential-Algebraic Equations
  124.  
  125. The function @code{dassl} can be used Solve DAEs of the form
  126. @iftex
  127. @tex
  128. $$
  129.  0 = f (\dot{x}, x, t), \qquad x(t=0) = x_0, \dot{x}(t=0) = \dot{x}_0
  130. $$
  131. @end tex
  132. @end iftex
  133. @ifinfo
  134.  
  135. @example
  136. 0 = f (x-dot, x, t),    x(t=0) = x_0, x-dot(t=0) = x-dot_0
  137. @end example
  138. @end ifinfo
  139.  
  140. @noindent
  141. using Petzold's DAE solver @sc{Dassl}.
  142.  
  143. @deftypefn {Loadable Function} {[@var{x}, @var{xdot}] =} dassl (@var{fcn}, @var{x0}, @var{xdot0}, @var{t}, @var{t_crit})
  144. Return a matrix of states and their first derivatives with respect to
  145. @var{t}.  Each row in the result matrices correspond to one of the
  146. elements in the vector @var{t}.  The first element of @var{t}
  147. corresponds to the initial state @var{x0} and derivative @var{xdot0}, so
  148. that the first row of the output @var{x} is @var{x0} and the first row
  149. of the output @var{xdot} is @var{xdot0}.
  150.  
  151. The first argument, @var{fcn}, is a string that names the function to
  152. call to compute the vector of residuals for the set of equations.
  153. It must have the form
  154.  
  155. @example
  156. @var{res} = f (@var{x}, @var{xdot}, @var{t})
  157. @end example
  158.  
  159. @noindent
  160. where @var{x}, @var{xdot}, and @var{res} are vectors, and @var{t} is a
  161. scalar.
  162.  
  163. The second and third arguments to @code{dassl} specify the initial
  164. condition of the states and their derivatives, and the fourth argument
  165. specifies a vector of output times at which the solution is desired, 
  166. including the time corresponding to the initial condition.
  167.  
  168. The set of initial states and derivatives are not strictly required to
  169. be consistent.  In practice, however, @sc{Dassl} is not very good at
  170. determining a consistent set for you, so it is best if you ensure that
  171. the initial values result in the function evaluating to zero.
  172.  
  173. The fifth argument is optional, and may be used to specify a set of
  174. times that the DAE solver should not integrate past.  It is useful for
  175. avoiding difficulties with singularities and points where there is a
  176. discontinuity in the derivative.
  177. @end deftypefn
  178.  
  179. @deftypefn {Loadable Function} {} dassl_options (@var{opt}, @var{val})
  180. When called with two arguments, this function allows you set options
  181. parameters for the function @code{lsode}.  Given one argument,
  182. @code{dassl_options} returns the value of the corresponding option.  If
  183. no arguments are supplied, the names of all the available options and
  184. their current values are displayed.
  185. @end deftypefn
  186.  
  187. See K. E. Brenan, et al., @cite{Numerical Solution of Initial-Value
  188. Problems in Differential-Algebraic Equations}, North-Holland (1989) for
  189. more information about the implementation of @sc{Dassl}.
  190.