22.5 Funciones para la resolución numérica de ecuaciones diferenciales

Función: plotdf (dydx, ...options...)

Función: plotdf (dvdu, [u,v], ...options...)

Función: plotdf ([dxdt,dydt], ...options...)

Función: plotdf ([dudt,dvdt], [u,v], ...options...)

Dibuja un campo de direcciones en dos dimensiones x y y.

dydx, dxdt y dydt son expresiones que dependen de x y y. Además de esas dos variables, las dos expresiones pueden depender de un conjunto de parámetros, con valores numéricos que son dados por medio de la opción parameters (la sintaxis de esa opción se explica mas al frente), o con un rango de posibles valores definidos con la opción sliders.

Varias otras opciones se pueden incluir dentro del comando, o seleccionadas en el menú. Haciendo click en un punto del gráfico se puede hacer que sea dibujada la curva integral que pasa por ese punto; lo mismo puede ser hecho dando las coordenadas del punto con la opción trajectory_at dentro del comando plotdf. La dirección de integración se puede controlar con la opción direction, que acepta valores de forward, backward ou both. El número de pasos realizado en la integración numérica se controla con la opción nsteps y el incremento del tiempo en cada paso con la opción tstep. Se usa el método de Adams Moulton para hacer la integración numérica; también es posible cambiar para el método de Runge-Kutta de cuarto orden con ajuste de pasos.

Menú de la ventana del gráfico:

El menú de la ventana gráfica dispone de las siguientes opciones: Zoom, que permite cambiar el comportamiento del ratón, de manera que hará posible el hacer zoom en la región del gráfico haciendo clic con el botón izquierdo. Cada clic agranda la imagen manteniendo como centro de la misma el punto sobre el cual se ha hecho clic. Manteniendo pulsada la tecla Shift mientras se hace clic, retrocede al tamaño anterior. Para reanudar el cálculo de las trayectorias cuando se hace clic, seleccine la opción Integrate del menú.

La opción Config del menú se puede utilizar para cambiar la(s) EDO(S) y algunos otros ajustes. Después de hacer los cambios, se debe utilizar la opción Replot para activar los nuevos ajustes. Si en el campo Trajectory at del menú de diálogo de Config se introducen un par de coordenadas y luego se pulsa la tecla retorno, se mostrará una nueva curva integral, además de las ya dibujadas. Si se selecciona la opción Replot, sólo se mostrará la última curva integral seleccionada.

Manteniendo pulsado el botón derecho del ratón mientras se mueve el cursor, se puede arrastrar el gráfico horizontal y verticalmente. Otros parámetros, como pueden ser el número de pasos, el valor inicial de t, las coordenadas del centro y el radio, pueden cambiarse en el submenú de la opción Config.

Con la opción Save, se puede obtener una copia del gráfico en una impresora Postscript o guardarlo en un fichero Postscript. Para optar entre la impresión o guardar en fichero, se debe seleccionar Print Options en la ventana de diálogo de Config. Una vez cubiertos los campos de la ventana de diálogo de Save, será necesario seleccionar la opción Save del primer menú para crear el fichero o imprimir el gráfico.

Opciones gráficas:

La función plotdf admite varias opciones, cada una de las cuales es una lista de dos o más elementos. El primer elemento es el nombre de la opción, y el resto está formado por el valor o valores asignados a dicha opción.

La función plotdf reconoce las siguientes opciones:

• tstep establece la amplitud de los incrementos en la variable independiente t, utilizados para calcular la curva integral. Si se aporta sólo una expresión dydx, la variable x será directamente proporcional a t. El valor por defecto es 0.1.
• nsteps establece el número de pasos de longitud tstep que se utilizarán en la variable independiente para calcular la curva integral. El valor por defecto es 100.
• direction establece la dirección de la variable independiente que será seguida para calcular una curva integral. Valores posibles son: forward, para hacer que la variable independiente aumente nsteps veces, con incrementos tstep; backward, para hacer que la variable independiente disminuya; both, para extender la curva integral nsteps pasos hacia adelante y nsteps pasos hacia atrás. Las palabras right y left se pueden utilizar como sinónimos de forward y backward. El valor por defecto es both.
• tinitial establece el valor inicial de la variable t utilizado para calcular curvas integrales. Puesto que las ecuaciones diferenciales son autónomas, esta opción sólo aparecerá en los gráficos de las curvas como funciones de t. El valor por defecto es 0.
• versus_t se utiliza para crear una segunda ventana gráfica, con el gráfico de una curva integral, como dos funciones x, y, de variable independiente t. Si se le da a versus_t cualquier valor diferente de 0, se mostrará la segunda ventana gráfica, la cual incluye otro menú, similar al de la ventana principal. El valor por defecto es 0.
• trajectory_at establece las coordenadas xinitial y yinitial para el extremo inicial de la curva integral. No tiene asignado valor por defecto.
• parameters establece una lista de parámetros, junto con sus valores numéricos, que son utilizados en la definición de la ecuación diferencial. Los nombres de los parámetros y sus valores deben escribirse en formato de cadena de caracteres como una secuencia de pares nombre=valor separados por comas.
• sliders establece una lista de parámetros que se cambiarán interactivamente utilizando barras de deslizamiento, así como los rangos de variación de dichos parámetros. Los nombres de los parámetros y sus rangos deben escribirse en formato de cadena de caracteres como una secuencia de pares nombre=min:max separados por comas.
• xfun establece una cadena de caracteres con funciones de x separadas por puntos y comas para ser representadas por encima del campo de direcciones. Estas funciones serán interpretadas por Tcl, no por Maxima.
• xradius es la mitad de la longitud del rango de valores a representar en la dirección x. El valor por defecto es 10.
• yradius es la mitad de la longitud del rango de valores a representar en la dirección y. El valor por defecto es 10.
• xcenter es la coordenada x del punto situado en el centro del gráfico. El valor por defecto es 0.
• ycenter es la coordenada y del punto situado en el centro del gráfico. El valor por defecto es 0.
• width establece el ancho de la ventana gráfica en píxeles. El valor por defecto es 500.
• height establece la altura de la ventana gráfica en píxeles. El valor por defecto es 500.

Ejemplos:

NOTA: Dependiendo de la interface que se use para Maxima, las funciones que usan openmath, incluida plotdf, pueden desencadenar un fallo si terminan en punto y coma, en vez del símbolo de dólar. Para evitar problemas, se usará el símbolo de dólar en todos ejemplos.

• Para mostrar el campo de direcciones de la ecuación diferencial y' = exp(-x) + y y la solución que pasa por (2, -0.1):

  (%i1) load("plotdf")$
  
  (%i2) plotdf(exp(-x)+y,[trajectory_at,2,-0.1]);
  

  
• Para mostrar el campo de direcciones de la ecuación diff(y,x) = x - y^2 y la solución de condición inicial y(-1) = 3, se puede utilizar la sentencia:

  (%i3) plotdf(x-y^2,[xfun,"sqrt(x);-sqrt(x)"],
            [trajectory_at,-1,3], [direction,forward],
            [yradius,5],[xcenter,6]);
  

  El gráfico también muestra la función y = sqrt(x).

  
• El siguiente ejemplo muestra el campo de direcciones de un oscilador armónico, definido por las ecuaciones dx/dt = y y dy/dt = -k*x/m, y la curva integral que pasa por (x,y) = (6,0), con una barra de deslizamiento que permitirá cambiar el valor de m interactivamente (k permanece fijo a 2):

  (%i4) plotdf([y,-k*x/m],[parameters,"m=2,k=2"],
              [sliders,"m=1:5"], [trajectory_at,6,0]);
  

  
• Para representar el campo de direcciones de la ecuación de Duffing, m*x''+c*x'+k*x+b*x^3 = 0, se introduce la variable y=x' y se hace:

  (%i5) plotdf([y,-(k*x + c*y + b*x^3)/m],
                [parameters,"k=-1,m=1.0,c=0,b=1"],
                [sliders,"k=-2:2,m=-1:1"],[tstep,0.1]);
  

  
• El campo de direcciones de un péndulo amortiguado, incluyendo la solución para condiciones iniciales dadas, con una barra de deslizamiento que se puede utilizar para cambiar el valor de la masa, m, y con el gráfico de las dos variables de estado como funciones del tiempo:

  (%i6) plotdf([y,-g*sin(x)/l - b*y/m/l],
           [parameters,"g=9.8,l=0.5,m=0.3,b=0.05"],
           [trajectory_at,1.05,-9],[tstep,0.01],
           [xradius,6],[yradius,14],
           [xcenter,-4],[direction,forward],[nsteps,300],
           [sliders,"m=0.1:1"], [versus_t,1]);
  

  

Función: ploteq (exp, ...options...)

Dibuja curvas equipotenciales para exp, que debe ser una expresión dependiente de dos variables. Las curvas se obtienen integrando la ecuación diferencial que define las trayectorias ortogonales a las soluciones del sistema autónomo que se obtiene del gradiente de la expresión dada. El dibujo también puede mostrar las curvas integrales de ese sistema de gradientes (opción fieldlines).

Este programa también necesita Xmaxima, incluso si se ejecuta Maxima desde una consola, pues el dibujo se creará por el código Tk de Xmaxima. Por defecto, la región dibujada estará vacía hasta que el usuario haga clic en un punto, dé sus coordenadas a través del menú o mediante la opción trajectory_at.

La mayor parte de opciones aceptadas por plotdf se pueden utilizar también con ploteq y el aspecto del interfaz es el mismo que el descrito para plotdf.

Ejemplo:

(%i1) V: 900/((x+1)^2+y^2)^(1/2)-900/((x-1)^2+y^2)^(1/2)$
(%i2) ploteq(V,[x,-2,2],[y,-2,2],[fieldlines,"blue"])$

Haciendo clic sobre un punto se dibujará la curva equipotencial que pasa por ese punto (en rojo) y la trayectoria ortogonal (en azul).

Función: rk (ODE, var, initial, dominio)

Función: rk ([ODE1,...,ODEm], [v1,...,vm], [init1,...,initm], dominio)

La primera forma se usa para resolver numéricamente una ecuación diferencial ordinaria de primer orden (EDO), y la segunda forma resuelve numéricamente un sistema de m de esas ecuaciones, usando el método de Runge-Kutta de cuarto orden. var representa la variable dependiente. EDO debe ser una expresión que dependa únicamente de las variables independiente y dependente, y define la derivada de la variable dependiente en función de la variable independiente.

La variable independiente se representa con dominio, que debe ser una lista con cuatro elementos, como por ejemplo:

[t, 0, 10, 0.1]

el primer elemento de la lista identifica la variable independiente, el segundo y tercer elementos son los valores inicial y final para esa variable, y el último elemento da el valor de los incrementos que deberán ser usados dentro de ese intervalo.

Si se van a resolver m ecuaciones, deberá haber m variables dependientes v1, v2, ..., vm. Los valores iniciales para esas variables serán inic1, inic2, ..., inicm. Continuará existiendo apenas una variable independiente definida por la lista domain, como en el caso anterior. EDO1, ..., EDOm son las expresiones que definen las derivadas de cada una de las variables dependientes en función de la variable independiente. Las únicas variables que pueden aparecer en cada una de esas expresiones son la variable independiente y cualquiera de las variables dependientes. Es importante que las derivadas EDO1, ..., EDOm sean colocadas en la lista en el mismo orden en que fueron agrupadas las variables dependientes; por ejemplo, el tercer elemento de la lista será interpretado como la derivada de la tercera variable dependiente.

El programa intenta integrar las ecuaciones desde el valor inicial de la variable independiente, hasta el valor final, usando incrementos fijos. Si en algún paso una de las variables dependientes toma un valor absoluto muy grande, la integración será suspendida en ese punto. El resultado será una lista con un número de elementos igual al número de iteraciones realizadas. Cada elemento en la lista de resultados es también una lista con m+1 elementos: el valor de la variable independiente, seguido de los valores de las variables dependientes correspondientes a ese punto.