Aproximación de las soluciones de ecuaciones diferenciales de primer orden por medio de métodos numéricos

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Resumen

This work explores the effectiveness of two numerical methods: Euler and Runge-Kutta, used to solve initial value problems. First, we analytically solve the differential equations and then apply both numerical methods to approximate their solutions. By comparing the approximations with the analytical solutions, we find that the Runge-Kutta method is more effective for the second initial value problem due to its lower error. Furthermore, we deduce that the smaller the interval size used for the approximation, the more reliable it will be compared to the analytical solution of the initial value problem. Subsequently, we applied the same procedure to a "simple" third initial value problem. The results showed that the previous assertion did not hold, revealing a high sensitivity to initial conditions that led to chaotic behavior. This finding aligns with chaos theory, indicating that small variations can trigger dramatically different outcomes. Finally, this study demonstrates that numerical methods are not always effective for all initial value problems, particularly the Runge-Kutta method for solutions that exhibit discontinuities, singularities, or high oscillation, leading to chaotic behaviors. This study underscores the importance of understanding the limitations of numerical methods in predicting solutions for initial value problems and paves the way for future work in improving these techniques and understanding chaos in dynamic systems.

Descripción

Este trabajo explora la efectividad de dos métodos numéricos; Euler y Runge-Kutta, empleados para resolver problemas de valor inicial. En primer lugar, resolvemos analíticamente las ecuaciones diferenciales para luego aplicar ambos métodos numéricos para aproximar sus soluciones. Al comparar las aproximaciones con las soluciones analíticas, vemos que el método de Runge-Kutta es más efectivo para el segundo problema de valor inicial debido a su menor error. Además, deducimos que, cuanto menor sea el tamaño del intervalo donde se calcula la aproximación, más confiable será esta a la solución analítica del problema de valor inicial. Posteriormente, aplicamos el mismo procedimiento a un tercer problema de valor inicial "simple". Los resultados mostraron que la afirmación anterior no se cumplía, revelando una gran sensibilidad a las condiciones iniciales que llevó a un comportamiento caótico. Este hallazgo se alinea con la teoría del caos, esto significa que pequeñas variaciones pueden desencadenar resultados drásticamente diferentes. Finalmente, este estudio muestra que los métodos numéricos no siempre son efectivos para todos los problemas de valores iniciales, especialmente el método de Rungue-Kutta para soluciones que presentan discontinuidades, singularidades o alta oscilación, manifestado comportamientos caóticos. Este estudio subraya la importancia de comprender las limitaciones de los métodos numéricos en la predicción de soluciones de problemas de valores iniciales y abre la puerta a futuros trabajos en la mejora de estas técnicas y en la comprensión del caos en sistemas dinámicos.

Palabras clave

Ecuaciones diferenciales, Caos, Métodos numéricos, Sensibilidad

Materias

Matemáticas -- Tesis y disertaciones académicas , Matemáticas , Ecuaciones diferenciales , Teoría del caos , Problemas de valor inicial

Citación

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