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使用高阶有限差分/初步估计

来自维基教科书,开放世界中的开放书籍

一维问题

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连续问题

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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。

有限差分法求解

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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。

由于该算子是线性正定的,  ,   ()的解存在且唯一

接下来要观察的是

.

并将此与() 结合,    

以及

.

符号

将用于表示 的精确值,以及符号

用于表示 的内部点。

向量  满足问题

,

其中 .

因此,可以使用估计() 来得到

.

回顾()

,

其中    以及  .

现在,

以及

.

因此,       每个分量都具有以下形式

.

这导致了以下估计

,

其中

  .

将不等式 ()() 结合后,可以得到

.


差分解的概论

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在继续讨论使用高阶有限差分算子的影响之前,研究线性方程解的一些一般性很有用。这为设计方法和证明提供了必要的动机。

假设  是一个线性算子,它是正定的,这意味着存在一个常数 , 不依赖于  使得

.

那么正如在()中针对矩阵解释的那样

.

现在,如果精确解  到某个问题由下式给出

除了  仅通过 , 知道到某个近似程度,那么解  到方程

,

是所需精确解 的近似。  由于

,

近似的接近程度可以用以下公式估计

.

关于*有限差分方法*,策略将是定义一个*线性算子*    使得

,

其中    与  无关。那么对于任何问题的精确解  

.

当    被  近似到一定程度时,也就是说当

 

然后对于 ,  方程  的解是

.

三阶估计

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在本节中,我们研究了用于二阶导数近似的五点有限差分算子的性质。本节将沿用本章之前章节中介绍的符号。符号     和      的含义与“有限差分法求解”一节中相同。符号

   和   

重新定义为表示五点算子。

.


.



.

五点二阶导数算子在区间端点附近的点处具有三阶精度,由于它是中心差分算子,因此对更内部的点具有四阶精度。

为了使求和过程更容易理解,    的表达式被重新排列,使求和过程更容易理解。这些恒等式可以通过简单的系数比较来验证。







本节的目的是建立不等式。

.

这是对有限差分逼近的精度进行估计时最具技术性的部分。分析的其余部分通过应用“关于差分解的一般性”部分中描述的推理来进行。对五点有限差分估计函数二阶导数精度的估计比较容易,将在单独的部分中介绍。

考虑到 .   所以   然后












考虑到 


这种项的组织方式会导致

根据 **()**,已知和   。   利用这个等式并将第二个和式的第一项和最后一项移项

使用()


,

,

,

下一个不等式如下。

现在,使用()

.

取      和      得出

.

以相同的方式

.

所求不等式成立。

.


二维域

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.







.







.







网格向量

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离散拉普拉斯算子

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为了数值近似 u(x, y),使用网格

.
其中

以及


二阶偏导数

     以及     

可以在网格上用*差商*来近似。

     以及      .

这些*差商*可以通过点的数量或精度阶来选择。在任何一种情况下,它们都将与*定义和基础*章节中差商部分所解释的一样。在使用其他标准(例如相对于阶的系数的大小或差异的最小化)的情况下,通过选择精度阶低于最大阶的差商而产生的可能性在此时未进行分析。

由于在差分算子的符号中包含许多索引很麻烦,因此用于近似二阶导数的差商的相同表达式将被重复用于不同阶的算子。在需要时,将明确哪一个。某些普遍性适用于其中任何一个,并且可以以此为基础进行讨论。

然后*拉普拉斯算子*    可以在*网格*的*内部*用以下方法*近似*。

.

.

.


二阶偏导数

可以在网格上用*差商*来近似。
.

这些差商 由下式给出

.

.

.

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