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🛠️ 四階 Runge-Kutta 法計算機(一階常微分方程求解器)

專業免費的 四階 Runge-Kutta 法計算機(一階常微分方程求解器)。純前端本機毫秒級計算、零資料上傳、極致隱私保護。提供詳細公式推導、實例示範與常見問答。

即時推算結果 (Computed Output)
0.7615941538 經典四階 Runge-Kutta 法
專業公認計算模型,即時運算完畢
📜 計算歷史記錄 (試算軌跡)
尚無歷史記錄,每次點擊「計算」將在此留下試算軌跡...

這個計算機的功能

本工具可數值求解形如 y' = F(x, y) 的一階常微分方程,並在給定初始條件 y(x_0) = y_0 的情況下,從 x_0 積分到 x_n。它採用經典的四階 Runge-Kutta 法(RK4),這是數值分析中最常用、也最可靠的單步積分法之一。計算結果會輸出一張逼近真實解的 (x_i, y_i) 數值表,並附上終點值 y(x_n)。這是一個純數學工具,不涉及任何國家或單位的限制。

使用方式

請將方程式右側 F(x,y) 以含有 x 與 y 的運算式輸入(例如 1-y^2、x+y、x*y 或 sin(x)+y)。支援的運算子有 + - * / ^,函式則包含 sin, cos, tan, exp, log, ln, sqrt, abs, tanh,並可使用常數 pi 與 e。接著設定起點 x_0、初始值 y_0、終點 x_n,並選擇要將區間等分成幾段 n。等分數越多,精度越高,因為 RK4 的整體誤差會以 h^4 的速度縮小。

公式解析

整個區間會被切割成 n 個等寬的小段,每段寬度為

h = ((x_n - x_0) ÷ (n)).
在每一步中,RK4 會對斜率取樣四次:起點取一次(k_1)、中點取兩次(k_2、k_3)、終點取一次(k_4)。下一個值即為加權平均
y_{n+1} = y_n + ((h) ÷ (6))≤ft(k_1 + 2k_2 + 2k_3 + k_4\right).
這樣的加權方式可消去至四階為止的誤差項,使單步截斷誤差為 O(h^5),整體誤差為 O(h^4)。

實例演算

求解 y' = 1 - y^2,其中 x_0 = 0、y_0 = 0、x_n = 1、n = 10(h = 0.1)。其精確解為 y = \tanh(x)。RK4 的第一步算得 y_1 = 0.0996679,與 \tanh(0.1) = 0.0996680 相符。完成全部十步後,y(1) = 0.7615942,與 \tanh(1) = 0.7615942 在小數點後七位上完全吻合。

使用注意事項與精準校對原則(6 大核心守則)

📐 1. 嚴格對齊輸入量綱與單位

輸入各項數值時請務必確認量綱(例如小時、天數、金額、百分比),避免單位不匹配引發推算偏差。

🔒 2. 純前端本機毫秒級隱私保障

所有計算邏輯 100% 在您的終端瀏覽器內完成,資料絕不上傳伺服器,嚴格守護商業與個人隱私。

📊 3. 符合公認學術與產業計算模型

演算法嚴格遵循國際通用數學公式與標準計算模型,經多重情境交叉核對,數值嚴密精確。

📋 4. 一鍵複製與免登入 PDF 匯出

支援一鍵複製推算結果字串至剪貼簿,亦可直接點擊列印按鈕輸出純淨 PDF 工作報表。

🔄 5. 多情景敏感度動態對比

建議針對極端值與多組預期情景分別試算,觀察輸出數據的波動區間,輔助做出更穩健的決策。

🛡️ 6. 專業諮詢與日常參考免責聲明

本工具運算結果供日常排程、學業研習與事前參考之用,如涉及重大法規或投資決策請諮詢持證專家。

常見問題 (FAQ)

為什麼 RK4 比 Euler 法更好?
Euler 法每步只取一次斜率(誤差為 \(O(h)\))。RK4 每步取四次斜率並加以平均,在相同步長下可達到 \(O(h^4)\) 的精度,因此要達到相同的目標精度所需的步數遠少於 Euler 法。
我該選擇多少步數?
建議先從 50 開始。若解的變化平滑,這通常已綽綽有餘;遇到變化劇烈或接近剛性(stiff)的問題時,再增加到 100、200 或 500。
若出現 NaN 或無限大(Infinity)怎麼辦?
這代表解可能已發散,或 \(F(x,y)\) 觸發了無效運算(例如對負數取對數或除以零)。請檢查運算式,並試著縮小區間或增加步數。