本书主要关注对偏微分方程解的有限差分逼近。然而,通过有限差分研究一些一维问题本身就很有用,并且具有指导意义。
考虑以下简单的解题问题:
在
满足边界条件
.
以下推导的不等式促使我们分析涉及拉普拉斯算子的高维问题。
利用不等式()得到
并使用该方程和柯西-施瓦茨不等式
.
因此
.
以及
.
现在,考虑当 解决近似问题
在
满足边界条件 , 其中 接近 .
由于 ,
.
上述不等式将被推广到离散和更高维度的模拟。这将使我们能够分析多种类型的方程的有限差分方法的精度。
另一个需要说明的是,如果非零边界条件
,
是需要的,那么
将解决新问题。因此,在大多数情况下,假设零边界条件不会损失一般性。在更高维的情况下,这将把问题分成两个部分。
回到()上一节要解决的问题。
在
满足边界条件
.
这个问题可能比有限差分法更适合用其他方法解决。例如,
令 ,并应用规则(), 因此 .
那么 是该问题的解。
然而,作为一个开始,它将说明有限差分方法,而不会太难理解。另一方面,偏微分方程可能难以用直接的解析方法求解。
从给定区间的划分开始
.
为了简单起见,假设均匀网格 .
也就是说, 对于 .
对于开始,我们用二阶精确差分算子来近似二阶导数
.
定义 . 将会证明存在唯一的
使得
能够解以下方程
对于 .
此外,最重要的是, 近似 按照以下意义
对于某个边界 独立于 .
在这一点上,我们需要澄清一些内容并引入一些符号。术语有限差分算子用于两种不同的但相关的算子。一个是应用于函数 的差商,即
而另一个是线性算子
应用于向量 .
符号
将用于区分两者。方程()可以写成
.
线性算子 由以下定义
.
那么 可以被认为是
.
这种线性算子的表示方式不同于通常使用的矩阵表示法。这种表示方法的优势在于它允许将估计更轻松地推广到更高阶算子和二维或三维域。
事实上,这种线性算子已经得到了充分的研究,并具有矩阵表示形式
,
当应用于向量 时。
该矩阵的特征值、特征向量和逆矩阵是已知的,可以在一些参考资料中找到。如果仅仅是为了这个介绍性示例的缘故,矩阵的细节将用于分析。正如所指出的,正在开发一种可以推广到更高阶算子和域的分析方法。
最后,方程()可以写成
,
其中向量 。
最后一点记号,对于向量 ,
的 的内部点, 表示为 , 是 维向量
.
换句话说,将证明存在唯一
其中
求解方程()
,
此外,最重要的是, 近似 按照以下意义
其中边界 与 无关,并且 的一个很好的估计是
其中 ,
,
并且 .
本节的剩余部分是对上述断言()的证明。
证明通过首先证明运算符 是正定的。
特别是对于
.
为了证明上面所说的
.
重新排列 分部求和 ()
作为
现在,令 得到
设定 当 .
设定 以及 当 .
由于 , 该恒等式变为
,
进而得到
.
这证明了等式
.
利用 **()**
如果 那么
以及
.
我们有以下结论
,
其中 .
这完成了对断言()的证明。
由于该算子是线性且正定的, , ()的解存在且唯一。
接下来要观察的是
.
并将此与() 结合,