РефератыМатематикаМеМетод конечных разностей или метод сеток

Метод конечных разностей или метод сеток

Метод конечных разностей, или метод сеток

Рассмотрим линейную краевую задачу



(2.24)



(2.25)



,


где
,

непрерывны на [a

,b

].


Разобьемотрезок [a

,
b

]на n

равных частей длины, или шага



.


Точки разбиения



,


называютсяузлами
, а их совокупность – сеткой
на отрезке [a

,b

]. Значения в узлах искомой функции
и ее производных
обозначим соответственно через



.


Введем обозначения




Заменим производные так называемыми односторонними конечно-разностными отношениями
:



(2.26)


Формулы (2.26) приближенно выражают значения производных во внутренних точках интервала[
a

,
b

]
.


Для граничных точек положим



. (2.27)


Используя формулы (2.26), дифференциальное уравнение (2.24) при
, (i

=
1, 2,..., n

–1) приближенно можно заменить линейной системой уравнений



(2.28)


Кроме того, в силу формул(2.27) краевые условия (2.25) дополнительно дают еще два уравнения:



. (2.29)


Таким образом, получена линейная системаn

+
1уравнений сn

+
1неизвестными
, представляющими собой значения искомой функции
в узлах сетки. Система уравнений (2.28), (2.29), заменяющая приближенно дифференциальную краевую задачу(2.24), (2.25)обычно называется разностной схемой

. Решить эту систему можно каким-либо общим численным методом. Однако схема (2.28), (2.29) имеет специфический вид и ее можно эффективно решить специальным методом, называемым методом прогонки. Специфичность системы заключается в том, что уравнения ее содержат три соседних неизвестных и матрица этой системы является трехдиагональной.


Преобразуем уравнения (2.28):



. (2.30)


Введя обозначения




получим



, (i

=0, 1,..., n

-2).(2.31)


Краевые условия по-прежнему запишем в виде



. (2.32)


Метод прогонки состоит в следующем.


Разрешим уравнение (2.31) относительно
:



. (2.33)


Предположим, что с помощью полной системы (2.31) из уравнения исключен член, содержащий
. Тогда уравнение (2.33) может быть записано в виде



, (2.34)


где
и
должны быть определены. Найдем формулы для этих коэффициентов. При i

=
0 из формулы (2.33) и краевых условий (2.32) следует, что




Исключая из этих двух уравнений
, найдем



.


Выразим теперь отсюда
:



(2.35)


Но, согласно формуле (2.34),



(2.36)


Сравнивая теперь (2.35) и (2.36), найдем, что



(2.37)


Пусть теперьi

>
0, то есть i

=
1, 2,..., n



2. Выражая
по формуле (2.34), получим:



.


Подставляя это в формулу (2.33), будем иметь



.


Разрешая полученное уравнение относительно
, находим



, или



. (2.38)


Отсюда, сравнивая формулы (2.34) и (2.38), получаем для коэффициентов
и
рекуррентные формулы:



(2.39)


Так как
и
уже определены по формулам (2.37), то, используя формулы (2.39), можно последовательно определить коэффициенты
и
до
и
включительно. Эти вычисления

называются прямым ходом
метода прогонки.


Из формулы (2.33) при i

=

n



2 и второго краевого условия (2.32) получаем




Разрешая эту систему относительно
, будем иметь



. (2.40)


Теперь, используя (2.34) и первое краевое условие (2.32), мы можем последовательно найти
. Это − обратный ход
метода прогонки.


Итак, получаем следующую цепочку:



(2.41)


Для простейших краевых условий


формулы для
и
упрощаются. Полагая в этом случае
из формул (2.37), (2.40), (2.41) будем иметь




Рассмотренный нами подход сводит линейную краевую задачу к системе линейных алгебраических уравнений. При этом возникает три вопроса.


1)Существует ли решение алгебраической системы типа (2.31)?


2)Как фактически находить это решение?


3)Сходится ли разностное решение к точному при стремлении шага сетки к 0?


Можно доказать, что если краевая задача имеет вид




причем р

(
x

)>

0, то решение системы (2.31), (2.32) существует и единственно. Фактическое отыскание решения можно провести, например, методом прогонки. На третий вопрос дает ответследующая


Теорема


Если
и
дважды непрерывно дифференцируемы, то разностное решение, соответствующее схеме с заменой




равномерно сходится к точному с погрешностью
при


Таким образом, схема (2.28), (2.29) дает приближенное решение краевой задачи, но точность ее весьма мала. Это связано с тем, что аппроксимация производной




имеет низкий порядок точности − погрешность этой аппроксимации




Более точную разностную схему можно получить, если при переходе от линейной краевой задачи к конечно-разностным уравнениям воспользоваться центральными формулами для производных:



, (2.42)



, (2.43)


i

=
1, 2,...,n

.


Погрешность формулы (2.42) выражается так:




то есть формула (2.42) имеет второй порядок точности относительно шага сетки h

. Подставляя выражения (2.42), (2.43) в задачу (2.24), (2.25) и выполняя некоторые преобразования, получим следующую систему:


(2.44)


Где
.


Система (2.44) снова трехдиагональная и ее решение также можно получить методом прогонки. Его алгоритм здесь будет выглядеть так. Сначала находят коэффициенты


(2.45)


Затем определяют коэффициенты
по следующим рекуррентным формулам:


(2.46)


Обратный ход начинается с нахождения
:


(2.47)


После этого находим
по формулам:



, (2.48)



. (2.49)


Относительно схемы (2.44) можно также доказать, что она имеет единственное решение при



и
,


и это решение может быть найдено описанным методом прогонки. Кроме того, для схемы (2.44) имеет место


Теорема


Пусть решение граничной задачи
(2.24), (2.25) единственно и непрерывно дифференцируемо на
[a

, b

] до четвертого порядка точности включительно. Если выполняются условия



,
,


то схема
(2.44)будет равномерно сходиться к решению задачи
(2.24), (2.25)с погрешностью
.


Заметим, что условия, приводимые в теоремах, являются достаточными, а отнюдь не необходимыми. Поэтому в практике численных расчетов нарушение этих условий обычно не вызывает заметного ухудшения расчетных схем.

Сохранить в соц. сетях:
Обсуждение:
comments powered by Disqus

Название реферата: Метод конечных разностей или метод сеток

Слов:923
Символов:8407
Размер:16.42 Кб.