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Scilabヘルプ >> Differential Equations, Integration > ode

ode

常微分方程式ソルバ

呼び出し手順

y = ode(y0, t0, t, f)
[y, w, iw] = ode([type,] y0, t0, t [,rtol [,atol]], f [,jac] [,w, iw])
[y, rd, w, iw] = ode("root", y0, t0, t [,rtol [,atol]], f [,jac],ng, g [,w,iw])
y = ode("discrete", y0, k0, kvect, f)

引数

y0

実数ベクトルまたは行列 (初期条件).

t0

実数スカラー (初期時間).

t

実数ベクトル (解を計算する時間).

f

関数, 外部 ,文字列またはリスト, 微分方程式の右辺.

type

文字列,使用するソルバ. 利用可能なソルバ: "adams", "stiff", "rk", "rkf", "fix", "discrete", "root".

atol, rtol

absolute and relative tolerances on the final solution y (decimal numbers). If each is a single value, it applies to each component of y. Otherwise, it must be a vector of same size as size(y), and is applied element-wise to y.

jac

関数, 外部 文字列またはリスト, 関数fの ヤコビアン.

ng

整数.

g

外部 (関数または文字列またはリスト).

k0

整数 (初期時間).

kvect

整数ベクトル.

y

実数のベクトルまたは行列. (出力)

rd

実数ベクトル. (出力)

w, iw

実数ベクトル. (入力/出力) See ode() optional output

説明

odeは,以下の陽の 常微分方程式を解きます:

\begin{eqnarray}
                \begin{array}{l}
                \dfrac{dy}{dt} = f(t,y)\\
                y(t_0)=y_0
                \end{array}
                \end{eqnarray}

この関数は種々のソルバ, 特にODEPACKへのインターフェイスです.

このヘルプでは, 標準の陽のODEシステム用にodeの使用方法のみを 説明します.

odeの最も簡単なコールは以下のようになります: y = ode(y0,t0,t,f) ただし,y0 は初期条件ベクトル, t0 は初期時間, t は解 yを計算する時間ベクトル, そして,yは解ベクトルの行列 y=[y(t(1)),y(t(2)),...]です.

入力ベクトルfは1次微分方程式の右辺を 定義します. この引数は特定のヘッダを有する関数です.

  • f が Scilab 関数の場合, その呼び出し手順は以下のようにします

    ydot = f(t,y)
     

    ただし,tは実数スカラー(時間), y は実数ベクトル (状態量), ydotは実数ベクトル (1次微分dy/dt)です.

  • f が文字列の場合, FortranサブルーチンまたはC関数の名前が参照されます. 例えば,ode(y0,t0,t,"fex")をコールすると, サブルーチンfexがコールされます.

    Fortranルーチンは以下のようなヘッダを有する必要があります:

    fex(n,t,y,ydot)
     

    ただし,nは整数, tは 倍精度スカラー, y および ydot は倍精度ベクトルです.

    C関数は以下のようなヘッダを有する必要があります:

    fex(int *n,double *t,double *y,double *ydot)
     

    ただし,tは時間, yは 状態量, ydotは状態量の微分 (dy/dt)です.

    この外部ルーチンは, ilib_for_linkにより OSと独立した方法で構築でき, link 関数によりScilabに動的にリンクできます.

  • シミュレータfが他の引数を 必要とする場合も起こりえます. この場合, 以下の機能を使用可能です. fの引数を リストlst=list(simuf,u1,u2,...un)とすることも できます. ただし,simufは以下の構造を有するScilab関数です: ydot = f(t,y,u1,u2,...,un) ただし,u1, u2, ..., unは, シミュレータsimufに自動的に指定される 外部引数です.

関数fは,ベクトルではなく p行q列の行列を返すことができます. この行列表記により, n=p+q次のODEシステムdY/dt=F(t,Y) を解きます. ただし, Yp x qの行列です. 初期条件 Y0p x qの行列 である必要があり, odeの結果は p行q(T+1)列 の行列 [Y(t_0),Y(t_1),...,Y(t_T)] となります.

許容誤差rtol および atol は 相対および絶対推定誤差の閾値です. y(i)の指定誤差は次のようになります: rtol(i)*abs(y(i))+atol(i) そして,状態量の全ての要素に関してこの誤差が小さい場合, 積分が行われます. rtolまたはatolが定数の場合, rtol(i)またはatol(i) はこの定数値に設定されます. rtol および atolのデフォルト値は 多くのソルバではそれぞれrtol=1.d-5 および atol=1.d-7, "rfk" および "fix"では rtol=1.d-3 および atol=1.d-4です.

スティッフな問題の場合, RHS関数のヤコビアンを オプションの引数 jacとして 指定する方が良いでしょう. ヤコビアンは,外部,すなわち,指定された構文を有する関数, または指定した呼び出し手順を有するFortranサブルーチンまたは C関数の名前(文字列),またはリストです.

  • jac が関数の場合, 構文は J=jac(t,y)とする必要があります. ただし, t は実数スカラー (時間), yは実数ベクトル (状態量)です. 結果の行列 J は df/dx を評価する必要があります. ただし, J(k,i) =dfk/dxifkfk番目の要素です.

  • jacが文字列の場合, FortranサブルーチンまたはC関数の名前を指します.

    このFortranルーチンは以下のようなヘッダを有する必要があります:

    subroutine fex(n,t,y,ml,mu,J,nrpd)
    integer n,ml,mu,nrpd
    double precision t,y(*),J(*)
     

    このC関数は以下のようなヘッダを有する必要があります:

    void fex(int *n,double *t,double *y,int *ml,int *mu,double *J,int *nrpd,)
     

    多くの場合, ml, mu および nrpdを参照する必要はありません.

  • jacがリストの場合, fと同様の表記となります.

オプション引数wおよび iwは, 積分ルーチンにより返される情報を 保存するベクトルです(詳細はode_optional_output 参照). これらのベクトルが odeのRHSで提供される場合, 積分は前回の停止時と同じパラメータで再開されます.

より多くのオプションを%ODEOPTIONS変数 によりODEPACKソルバに指定することができます. odeoptionsを参照ください.

ソルバ

解く問題の型と使用する手法は最初のオプション引数 typeの値に依存します. この値には以下の文字列の一つを指定できます:

<not given>:

ODEPACKパッケージのlsoda ソルバが デフォルトでコールされます. このソルバは非スティッフな問題用の予測子/修正子 Adams 法と スティッフな問題用の後退差分法(BDF)を自動的に選択します. まず非スティッフな手法が使用され,使用する手法を 決定するためにデータを動的にモニタします.

"adams":

これは非スティッフな問題用です. ODEPACKパッケージの lsode ソルバがコールされ, この関数は Adams法を使用します.

"stiff":

これはスティッフな問題用です. ODEPACKパッケージの lsode ソルバがコールされ, BDF法が使用されます.

"rk":

4次の適応型 Runge-Kutta (RK4) 法.

"rkf":

Fehlbergの4次と5次の Runge-Kutta法に基づくShampine および Wattsのプログラム (RKF45) が使用されます. この方法は非スティッフおよびややスティッフな問題用で, 微係数の評価コストが低い場合に適しています. この手法は一般にユーザが高い精度を望む場合には使用するべきではありません.

"fix":

"rkf"と同じソルバですがユーザインターフェイスが 非常にシンプルで, rtol および atolパラメータのみを ソルバに指定することが可能です. この手法は使用できる中で最も簡単な手法です.

"root":

解を得る機能を有するODE ソルバ. ODEPACKパッケージの lsodar ソルバが使用されます. 使用されているのはlsoda ソルバを改変したもので, 指定したベクトル関数の根を見つけることができます. 詳細は ode_root のヘルプを参照してください.

"discrete":

離散時間シミュレーション. 詳細は ode_discrete のヘルプを参照してください.

以下の例では,初期条件y(0)=0で,常微分方程式 dy/dt=y^2-y*sin(t)+cos(t)を解きます. デフォルトのソルバを使用します.

function ydot=f(t, y)
    ydot=y^2-y*sin(t)+cos(t)
endfunction
y0=0;
t0=0;
t=0:0.1:%pi;
y = ode(y0,t0,t,f);
plot(t,y)

以下の例では,方程式dy/dt=A*yを解きます. 正確な解はy(t)=expm(A*t)*y(0)です, ただし expm は行列指数関数です. 未知量は2行1列の行列 y(t) です.

function ydot=f(t, y)
    ydot=A*y
endfunction
function J=Jacobian(t, y)
    J=A
endfunction
A=[10,0;0,-1];
y0=[0;1];
t0=0;
t=1;
ode("stiff",y0,t0,t,f,Jacobian)
// Compare with exact solution:
expm(A*t)*y0

以下の例では,u(t)=sin(omega*t)として, ODE dx/dt = A x(t) + B u(t)を解きます. 外部引数 fに関する注記: A, u, B, omegaが関数fにリストとして 指定されます.

function xdot=linear(t, x, A, u, B, omega)
    xdot=A*x+B*u(t,omega)
endfunction
function ut=u(t, omega)
    ut=sin(omega*t)
endfunction
A=[1 1;0 2];
B=[1;1];
omega=5;
y0=[1;0];
t0=0;
t=[0.1,0.2,0.5,1];
ode(y0,t0,t,list(linear,A,u,B,omega))

以下の例では,リカッチ微分方程式 dX/dt=A'*X + X*A - X'*B*X + Cを解きます. ただし,初期条件X(0)は2行2列の単位行列です.

function Xdot=ric(t, X, A, B, C)
    Xdot=A'*X+X*A-X'*B*X+C
endfunction
A=[1,1;0,2];
B=[1,0;0,1];
C=[1,0;0,1];
y0=eye(A);
t0=0;
t=0:0.1:%pi;
X = ode(y0,t0,t,list(ric,A,B,C))

以下の例では,微分方程式 dY/dt=A*Yを解きます. ただし,未知量Y(t)は2行2列の行列です. 厳密解は Y(t)=expm(A*t)です. ただし, expmは行列指数関数です.

function ydot=f(t, y, A)
    ydot=A*y;
endfunction
A=[1,1;0,2];
y0=eye(A);
t0=0;
t=1;
ode(y0,t0,t,list(f,A))
// Compare with the exact solution:
expm(A*t)
ode("adams",y0,t0,t,f)

コンパイラを使用

以下の例はCコンパイラを必要とします.

// ---------- Simple one dimension ODE (C coded external)
ccode=['#include <math.h>'
       'void myode(int *n,double *t,double *y,double *ydot)'
       '{'
       '  ydot[0]=y[0]*y[0]-y[0]*sin(*t)+cos(*t);'
       '}']
mputl(ccode,TMPDIR+'/myode.c') //create the C file

// Compile
cd TMPDIR
ilib_for_link('myode','myode.c',[],'c',[],'loader.sce');
exec('loader.sce') //incremental linking
y0=0;
t0=0;
t=0:0.1:%pi;
y = ode(y0,t0,t,'myode');

参照

  • odeoptions — ODEソルバのオプションを設定する
  • ode_optional_output — ode ソルバのオプション出力の説明
  • ode_root — 求解付きの常微分方程式ソルバ
  • ode_discrete — 常微分方程式ソルバ, 離散時間シミュレーション
  • dassl — 微分代数方程式
  • impl — 微分代数方程式
  • odedc — 離散/連続 ODE ソルバ
  • csim — 線形システムのシミュレーション (時間応答)
  • ltitr — 離散時間応答 (状態空間)
  • rtitr — 離散時間応答 (伝達行列)
  • intg — 定積分

参考文献

Alan C. Hindmarsh, "lsode and lsodi, two new initial value ordinary differential equation solvers", ACM-Signum newsletter, vol. 15, no. 4 (1980), pp. 10-11.

使用される関数

関連する関数は SCI/modules/differential_equations/src/fortran ディレクトリにあります: lsode.f lsoda.f lsodar.f

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Last updated:
Thu Feb 14 15:02:06 CET 2019