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使用高階有限差分/三階方法

來自華夏公益教科書

三階精確方法

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問題陳述

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D矩形

並令CD邊界

運算元

是通常的拉普拉斯運算元。問題是,確定一個函式 u(x, y) 使得

被稱為泊松問題。

離散逼近

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為了數值逼近 u(x, y),使用網格

.
其中

以及


二階偏導數

可以用差商在網格上進行逼近
.

這些差商由以下公式給出:

.

.

.


二階偏導數

可以用差商在網格上進行逼近
.

這些差商由以下公式給出:

.

.

.

截斷誤差

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差商     是三階精度的,具有截斷誤差

其中

 ,

對於     ,

 ,

對於   

    

當    連續時,這些估計也成立。

  其中



對於某個       



情況為   是

 ,

對於某些     。


差商     是三階精度的,帶有截斷誤差

其中

 ,

對於某些     ,

 ,

對於一些   

    

當    連續時,這些估計也成立。

  其中



對於一些       



當   時的情況是

 ,

對於一些     .

然後,拉普拉斯運算元    可以近似網格內部

截斷誤差



由以下給出

.

定義的有限差分運算

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對於網格向量



定義有限差分運算



由以下公式給出。

.

.

.

.

.

.

模擬問題

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為了模擬問題(1.0),令


然後求解非奇異線性方程組

  ;

對於剩下的   

誤差估計

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誤差

 ,

滿足

 .

對於

 ,

以及

 .

截斷誤差估計的證明

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截斷誤差對於   是在假設   足夠光滑,以至於   是連續的。為了符號方便,令



將   在它關於  泰勒展開式中展開,

.

其中 之間的某個數字。那麼







其中

.

由於





由*中間值定理*可知



.

這給出了



這指的是













其中

.

如同之前推導,將同號項合併,並使用中值定理



.

這給出了



這指的是



假設   是連續的,在上述論證中,表示式



可以替換為

這給出了



時,



其他 截斷誤差 估計也是以相同的方式完成。

結束工作

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誤差



定義為

 .

有限差分格式 (xx) 的解,而 (1.0) 的解。

由於

 
我們得到

 .

接下來將證明運算元    對  ,  特別是

 

       ,

其中

 。


從 



首先估計和   。

.















.







end work

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現在,為了使用, 分部求和公式  被陳述如下。











.





考慮到   得出以下結論