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使用高阶有限差分/三阶方法

来自维基教科书,开放世界中的开放书籍

三阶精确方法

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问题陈述

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D矩形

并令CD边界

算子

是通常的拉普拉斯算子。问题是,确定一个函数 u(x, y) 使得

被称为泊松问题。

离散逼近

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为了数值逼近 u(x, y),使用网格

.
其中

以及


二阶偏导数

可以用差商在网格上进行逼近
.

这些差商由以下公式给出:

.

.

.


二阶偏导数

可以用差商在网格上进行逼近
.

这些差商由以下公式给出:

.

.

.

截断误差

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差商     是三阶精度的,具有截断误差

其中

 ,

对于     ,

 ,

对于   

    

当    连续时,这些估计也成立。

  其中



对于某个       



情况为   是

 ,

对于某些     。


差商     是三阶精度的,带有截断误差

其中

 ,

对于某些     ,

 ,

对于一些   

    

当    连续时,这些估计也成立。

  其中



对于一些       



当   时的情况是

 ,

对于一些     .

然后,拉普拉斯算子    可以近似网格内部

截断误差



由以下给出

.

定义的有限差分运算

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对于网格向量



定义有限差分运算



由以下公式给出。

.

.

.

.

.

.

模拟问题

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为了模拟问题(1.0),令


然后求解非奇异线性方程组

  ;

对于剩下的   

误差估计

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误差

 ,

满足

 .

对于

 ,

以及

 .

截断误差估计的证明

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截断误差对于   是在假设   足够光滑,以至于   是连续的。为了符号方便,令



将   在它关于  泰勒展开式中展开,

.

其中 之间的某个数字。那么







其中

.

由于





由*中间值定理*可知



.

这给出了



这指的是













其中

.

如同之前推导,将同号项合并,并使用中值定理



.

这给出了



这指的是



假设   是连续的,在上述论证中,表达式



可以替换为

这给出了



时,



其他 截断误差 估计也是以相同的方式完成。

结束工作

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误差



定义为

 .

有限差分格式 (xx) 的解,而 (1.0) 的解。

由于

 
我们得到

 .

接下来将证明算子    对  ,  特别是

 

       ,

其中

 。


从 



首先估计和   。

.















.







end work

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现在,为了使用, 分部求和公式  被陈述如下。











.





考虑到   得出以下结论