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使用高階有限差分/初步估計

來自華夏公益教科書

一維問題

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連續問題

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本書主要關注對偏微分方程解的有限差分逼近。然而,透過有限差分研究一些一維問題本身就很有用,並且具有指導意義。

考慮以下簡單的解題問題:

    在  

滿足邊界條件

.

以下推導的不等式促使我們分析涉及拉普拉斯運算元的高維問題。

利用不等式()得到

並使用該方程和柯西-施瓦茨不等式

.

因此

.

以及

.

現在,考慮當    解決近似問題

    在  

滿足邊界條件  ,  其中    接近  .
由於  ,


.

上述不等式將被推廣到離散和更高維度的模擬。這將使我們能夠分析多種型別的方程的有限差分方法的精度。

另一個需要說明的是,如果非零邊界條件

,

是需要的,那麼

將解決新問題。因此,在大多數情況下,假設邊界條件不會損失一般性。在更高維的情況下,這將把問題分成兩個部分。

有限差分法求解

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回到()上一節要解決的問題。

    在  

滿足邊界條件

.

這個問題可能比有限差分法更適合用其他方法解決。例如,

令 ,並應用規則(),   因此   .


那麼     是該問題的解。

然而,作為一個開始,它將說明有限差分方法,而不會太難理解。另一方面,偏微分方程可能難以用直接的解析方法求解。

從給定區間的劃分開始

.

為了簡單起見,假設均勻網格 .

也就是說,     對於   .

對於開始,我們用二階精確差分運算元來近似二階導數

.

定義  .  將會證明存在唯一的

   使得   

能夠解以下方程

   對於   .

此外,最重要的是,   近似    按照以下意義

對於某個邊界    獨立於  .

在這一點上,我們需要澄清一些內容並引入一些符號。術語有限差分運算元用於兩種不同的但相關的運算元。一個是應用於函式 的差商,即

而另一個是線性運算元

應用於向量 .

符號

將用於區分兩者。方程()可以寫成

.

線性運算元    由以下定義

.

那麼    可以被認為是

.

這種線性運算元的表示方式不同於通常使用的矩陣表示法。這種表示方法的優勢在於它允許將估計更輕鬆地推廣到更高階運算元和二維或三維域。

事實上,這種線性運算元已經得到了充分的研究,並具有矩陣表示形式

,

當應用於向量 時。

該矩陣的特徵值、特徵向量和逆矩陣是已知的,可以在一些參考資料中找到。如果僅僅是為了這個介紹性示例的緣故,矩陣的細節將用於分析。正如所指出的,正在開發一種可以推廣到更高階運算元和域的分析方法。

最後,方程()可以寫成

,

其中向量 

最後一點記號,對於向量 , 

的  的內部點, 表示為 , 是  維向量

.

換句話說,將證明存在唯一

  其中  

求解方程()

,

此外,最重要的是,   近似    按照以下意義

其中邊界  與  無關,並且  的一個很好的估計是

其中  

,

並且  .

本節的剩餘部分是對上述斷言()的證明。

證明透過首先證明運算子    是正定的

特別是對於  

.

為了證明上面所說的

.

重新排列  分部求和  ()

作為

現在,令  得到

設定    當  .

設定    以及    當  .

由於  ,  該恆等式變為

,

進而得到

.

這證明了等式

.

利用 **()**

如果    那麼

以及

.

我們有以下結論

,

其中  .

這完成了對斷言()的證明。

由於該運算元是線性正定的,  ,   ()的解存在且唯一

接下來要觀察的是

.

並將此與() 結合,    

以及

.

符號

將用於表示 的精確值,以及符號

用於表示 的內部點。

向量  滿足問題

,

其中 .

因此,可以使用估計() 來得到

.

回顧()

,

其中    以及  .

現在,

以及

.

因此,       每個分量都具有以下形式

.

這導致了以下估計

,

其中

  .

將不等式 ()() 結合後,可以得到

.


差分解的概論

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在繼續討論使用高階有限差分運算元的影響之前,研究線性方程解的一些一般性很有用。這為設計方法和證明提供了必要的動機。

假設  是一個線性運算元,它是正定的,這意味著存在一個常數 , 不依賴於  使得

.

那麼正如在()中針對矩陣解釋的那樣

.

現在,如果精確解  到某個問題由下式給出

除了  僅透過 , 知道到某個近似程度,那麼解  到方程

,

是所需精確解 的近似。  由於

,

近似的接近程度可以用以下公式估計

.

關於*有限差分方法*,策略將是定義一個*線性運算元*    使得

,

其中    與  無關。那麼對於任何問題的精確解  

.

當    被  近似到一定程度時,也就是說當

 

然後對於 ,  方程  的解是

.

三階估計

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在本節中,我們研究了用於二階導數近似的五點有限差分運算元的性質。本節將沿用本章之前章節中介紹的符號。符號     和      的含義與“有限差分法求解”一節中相同。符號

   和   

重新定義為表示五點運算元。

.


.



.

五點二階導數運算元在區間端點附近的點處具有三階精度,由於它是中心差分運算元,因此對更內部的點具有四階精度。

為了使求和過程更容易理解,    的表示式被重新排列,使求和過程更容易理解。這些恆等式可以透過簡單的係數比較來驗證。







本節的目的是建立不等式。

.

這是對有限差分逼近的精度進行估計時最具技術性的部分。分析的其餘部分透過應用“關於差分解的一般性”部分中描述的推理來進行。對五點有限差分估計函式二階導數精度的估計比較容易,將在單獨的部分中介紹。

考慮到 .   所以   然後












考慮到 


這種項的組織方式會導致

根據 **()**,已知和   。   利用這個等式並將第二個和式的第一項和最後一項移項

使用()


,

,

,

下一個不等式如下。

現在,使用()

.

取      和      得出

.

以相同的方式

.

所求不等式成立。

.


二維域

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.







.







.







網格向量

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離散拉普拉斯運算元

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為了數值近似 u(x, y),使用網格

.
其中

以及


二階偏導數

     以及     

可以在網格上用*差商*來近似。

     以及      .

這些*差商*可以透過點的數量或精度階來選擇。在任何一種情況下,它們都將與*定義和基礎*章節中差商部分所解釋的一樣。在使用其他標準(例如相對於階的係數的大小或差異的最小化)的情況下,透過選擇精度階低於最大階的差商而產生的可能性在此時未進行分析。

由於在差分運算元的符號中包含許多索引很麻煩,因此用於近似二階導數的差商的相同表示式將被重複用於不同階的運算元。在需要時,將明確哪一個。某些普遍性適用於其中任何一個,並且可以以此為基礎進行討論。

然後*拉普拉斯運算元*    可以在*網格*的*內部*用以下方法*近似*。

.

.

.


二階偏導數

可以在網格上用*差商*來近似。
.

這些差商 由下式給出

.

.

.

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