s3Eva_IT2009_T2 EDO Taylor Seno(x)

la ecuación del problema es:

xy'+ 2y = \sin (x) \frac{\pi}{2} \leq x \leq \frac{3\pi}{2} y\Big(\frac{\pi}{2} \Big) = 1

Para el algoritmo se escribe separando y’:

y' = \frac{\sin (x)}{x} - 2\frac{y}{x}

tomando como referencia Taylor de 3 términos más el término de error O(h3)

y_{i+1} = y_i +\frac{h}{1!}y'_i + \frac{h^2}{2!}y''_i + \frac{h^3}{3!}y'''_i

Se usa hasta el tercer término para el algoritmo.

y_{i+1} = y_i +\frac{h}{1!}y'_i + \frac{h^2}{2!}y''_i

Se determina que se requiere la segunda derivada para completar la aproximación. A partir de la ecuación del problema se aplica en cada término:

\Big(\frac{u}{v}\Big)' = \frac{u'v-uv' }{v^2} y'' = \frac{\cos (x) x - sin(x)}{x^2} - 2\frac{y'x-y}{x^2} y'' = \frac{\cos (x) x - sin(x)}{x^2} - 2\frac{\Big(\frac{\sin (x)}{x} - 2\frac{y}{x} \Big)x-y}{x^2}

Con lo que se realizan las iteraciones para llenar la tabla

iteración 1

x0 = π/2= 1.57079633

y0= 1

y' = \frac{\sin (π/2)}{π/2} - 2\frac{1}{π/2} = -0.40793719 y'' = \frac{\cos (π/2) π/2 - sin(π/2)}{(π/2)^2}+ - 2\frac{(-0.40793719)(π/2)-1}{(π/2)^2}= 0.48531359 y_{1} = 1 +\frac{\pi/10}{1!}(-0.40793719) + \frac{(\pi/10)^2}{2!}(0.48531359) = 0.86

x1 = x0+h = 1.57079633 + π/10 =1.88495559

iteración 2

x1 = 1.88495559

y1 = 0.86

y' = \frac{\sin (1.88495559)}{1.88495559} - 2\frac{0.86}{1.88495559} = -0.31947719 y'' = \frac{\cos (1.88495559)(1.88495559) - sin(1.88495559)}{(1.88495559)^2} - 2\frac{(-0.31947719) (1.88495559)-y}{(1.88495559)^2} = 0.16854341 y_{2} = 0.86 +\frac{\pi /10}{1!}(-0.31947719) + \frac{(\pi /10)^2}{2!}(0.16854341) = 0.75579202

x2 = x1+ h = 1.88495559 + π/10 = 2.19911486

iteración 3

x2 = 2.19911486

y2 = 0.75579202

y' = \frac{\sin (2.19911486)}{2.19911486} - 2\frac{y}{2.19911486} = -0.29431724 y'' = \frac{\cos (2.19911486)(2.19911486) - sin(2.19911486)}{(2.19911486)^2} + - 2\frac{(-0.29431724)(2.19911486)-0.75579202}{(2.19911486)^2} = 0.0294177 y_{3} = 0.75579202 +\frac{\pi/10}{1!}(-0.29431724) + \frac{(\pi /10)^2}{2!}(0.0294177)

x3 = x3+h = 2.19911486 + π/10 = 2.19911486

Con lo que se puede realizar el algoritmo, obteniendo la siguiente tabla:

estimado
 [xi,          yi,         d1y,        d2y       ]
[[ 1.57079633  1.         -0.40793719  0.48531359]
 [ 1.88495559  0.86       -0.31947719  0.16854341]
 [ 2.19911486  0.75579202 -0.29431724  0.0294177 ]
 [ 2.51327412  0.66374258 -0.29583247 -0.02247944]
 [ 2.82743339  0.5727318  -0.30473968 -0.02730493]
 [ 3.14159265  0.47868397 -0.31027009 -0.00585871]
 [ 3.45575192  0.38159973 -0.30649476  0.02930236]
 [ 3.76991118  0.28383639 -0.29064275  0.06957348]
 [ 4.08407045  0.18899424 -0.26221809  0.10859762]
 [ 4.39822972  0.10111944 -0.22243506  0.14160656]
 [ 4.71238898  0.02410027  0.          0.        ]]

Usando el siguiente algoritmo

# 3Eva_IT2009_T2 EDO Taylor Seno(x)
# EDO. Método de Taylor 3 términos 
# estima solucion para muestras separadas h en eje x
# valores iniciales x0,y0
# entrega arreglo [[x,y]]
import numpy as np

def edo_taylor3t(d1y,d2y,x0,y0,h,muestras):
    tamano = muestras + 1
    estimado = np.zeros(shape=(tamano,4),dtype=float)
    # incluye el punto [x0,y0]
    estimado[0] = [x0,y0,0,0]
    x = x0
    y = y0
    for i in range(1,tamano,1):
        y = y + h*d1y(x,y) + ((h**2)/2)*d2y(x,y)
        x = x+h
        estimado[i-1,2:]= [d1y(x,y),d2y(x,y)]
        estimado[i,0:2] = [x,y]
    return(estimado)

# PROGRAMA PRUEBA
# 3Eva_IT2009_T2 EDO Taylor Seno(x).

# INGRESO.
# d1y = y', d2y = y''
d1y = lambda x,y: np.sin(x)/x - 2*y/x
d2y = lambda x,y: (x*np.cos(x)-np.sin(x))/(x**2)-2*(x*(np.sin(x)/x - 2*y/x)-y)/(x**2)
x0 = np.pi/2
y0 = 1
h = np.pi/10
muestras = 10

# PROCEDIMIENTO
puntos = edo_taylor3t(d1y,d2y,x0,y0,h,muestras)
xi = puntos[:,0]
yi = puntos[:,1]

# SALIDA
print('estimado[xi, yi, d1yi, d2yi]')
print(puntos)

# Gráfica
import matplotlib.pyplot as plt
plt.plot(xi[0],yi[0],'o', color='r', label ='[x0,y0]')
plt.plot(xi[1:],yi[1:],'o', color='g', label ='y estimada')
plt.title('EDO: Solución con Taylor 3 términos')
plt.xlabel('x')
plt.ylabel('y')
plt.legend()
plt.grid()
plt.show()