![](/user_photo/_userpic.png)
книги из ГПНТБ / Марчук Г.И. Методы вычислительной математики
.pdfс координатными линиями. Назовем точки (.v;(, у{) |
у з л а м и |
||||||||
сетки, их множество — с е т к о й |
и |
/; — ш а г о м |
с е т к и . |
Об |
|||||
ласть |
определения |
с е т о ч н ы х |
ф у н к ц и й |
(так |
'принято |
||||
называть функции, заданные в узлах сетки) |
обозначим |
£>/,, |
|||||||
граничные точки dDk, |
а множество |
сеточных |
функции |
ср'1 |
обо |
||||
значим Ф/,. Таким образом, каждой функции |
ср е Ф сопостав |
||||||||
ляется |
сеточная функция, |
которую |
обозначим |
(ср),,, по прави |
|||||
лу: значение (ср)д в |
узле |
(хк, |
г/г) |
равно ф(л'(1> |
iji). Указанное |
сопоставление является линейным оператором, действующим
из подпространства Ф в Ф/, |
(сеточных функций на |
Dh); этот |
оператор кратко называют |
п р о е к т и р о в а н и е м |
функции |
Ф на сетку. |
|
|
Пусть, далее, Л—линейный оператор, заданный на функ циях фс^Ф. Тогда лр=Лф будет функцией и ее также можно спроектировать на сетку, взяв (а|з)л= (Лф)л. Соответствие между (гр)л и (Лф)/, будет линейным оператором, определен ным на сеточных функциях ( Ф ) Л , и этот оператор будет проек цией А на сетку; он обозначается {A)h. Такое проектирование на сеточную область позволяет прийти к конечно-разностным аналогам уравнений, методы построения которых, а также вопросы аппроксимации, счетной устойчивости и сходимости решения приближенной задачи к точной рассмотрим в даль нейшем.
Пусть ф" — сеточная функция с компонентами ф ь ь а ДЛ — разностный аналог оператора Лапласа на равномерной сетке Ал-=Дг/=/г, определенный следующим равенством:
( Д У ) М |
- |
+ |
|
+ |
+ |
- < ' . |
( Ш |
) |
|
Предположим, |
что сеточная функция |
У ' Е Ф 4 |
обращается |
в |
|||||
нуль на границе сеточной |
области, т. е. |
|
|
|
|
||||
|
|
( Ф л ) м = |
0 на dDh. |
|
|
(1.62) |
|||
Введем далее разностные операторы по индексу k |
|
|
|||||||
(Дь <Ph)k,i = . - ^ - (фй+ 1 і / — tpij),. |
(Vftfp'Oft,/ |
= -j- Wh.i — <Pk-\,i) |
|
||||||
и аналогичные |
операторы |
по индексу |
/ |
|
|
|
|
||
(А/ Ф Л ) , , , , |
= |
~ ( < P * F / + , - |
Ф * , ) , |
( у / Ф А ) / < , / |
= 4 ( < / |
- < / - і ) |
|
И рассмотрим новые разностные операторы А'1, Ак и Л/, опре деленные следующими соотношениями:
Ah — — Ay, у і,, А[ = — А; V / • |
( 1 - 6 3 ) |
Тогда будем |
иметь |
|
|
|
|
|
|
|
- A" =Ah |
+ At = Лл . |
|
||
Совокупность |
узлов, для |
которых k = 0, |
п и / = 0 , |
п, образует |
||
dDh. Напомним, |
что в этих узловых точках ер'1 в |
соответствии |
||||
с (1.62) обращается в нуль. |
|
|
|
|||
Рассмотрим |
скалярное произведение |
|
|
|||
|
|
(а, Ь ) = й 2 |
" S S f a k A . / |
|
||
И |
|
|
|
|
|
|
|
|
І І Ф І І = К(ФГФ)". |
|
|
||
Сформируем далее функционал*' |
|
|
||||
|
|
л—1 л—і |
|
|
|
|
(Л'< ср, Ф * ) = |
- /Г- 2 |
S ЦДл V/« Ф)м + |
(А< V/ Фк/ I Ф,1 г |
Имеют место следующие тождества, аналогичные первой и
второй формулам Грина |
(О. А. ЛадыженскаяГ 2 ] , А. А. Са |
||
марский1 3 1 ) : |
|
|
|
л—1 |
|
л |
|
- 2 (Ал Vk ф)м Ф^; = |
S |
(Vh Фк/ (Vfc Ф*)к.Ь |
|
ft=l |
' |
ft=J |
|
« - і |
|
|
(1.64) |
— 2 J (АЛ Vfc Ф)Й,; Фь, = — її |
(АЛ V* Ф*к/ Ф*,/- |
||
h=l |
' |
fc=1 |
Формулы (1.64) справедливы только для функций «рєФ/,,
удовлетворяющих |
условию |
(1.62), |
и |
ф*еФл> |
удовлетворя |
||
ющих соотношению |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ф*>£ |
== 0 |
на |
<3D„. |
(1.65) |
||
Аналогичные равенства имеют |
место |
и для сумм по индек |
|||||
су /. С помощью |
второго |
соотношения |
из (1.64) |
получим |
|||
|
(А" ф, |
ф*) = |
(ф, Ah |
Ф * ) . |
|
Отсюда следует самосопряженность ЛЛ , т. е. Л " = ( Л ' 1 ) * и Ф ( Л ) = Ф * ( Л * ) .
Рассмотрим далее функционал
(Л" ф, ф) = — h2 У, |
2 ЦАЙ щ 4>)h,i + ' ( А / Vi ФкЛ Фл.г- |
н=1 |
/=1 |
*) Здесь и в дальнейшем индекс h при сеточных функциях *р и ф* ради простоты будем опускать.
С помощью первого тождества |
(1.64) для |
k и / получим |
|||
(Л" Ф, Ф ) = /г* І |
І |
[((у/, Ф ) м ) г + |
((V; Ф)м)2 1. |
||
откуда и следует |
|
|
|
|
|
|
(Л''ф, ф) > 0 , |
|
|||
если <р не нуль-вектор. |
|
|
|
|
|
Наконец, рассмотрим |
спектральную задачу |
||||
Л"и=Я,и |
в |
Dh, |
(1.66) |
||
u = 0 |
на |
dDh. |
|||
|
Компоненты ортонормнрованиых собственных векторов, соот
ветствующих задаче |
(1.66), имеют вид |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
цМр = |
2sin mnkhslnpnlh, |
|
|
|
|
(1.67) |
|||||
|
m = |
1, 2, . . . |
, |
n—l; |
p=l,2, |
... |
, n— 1. |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
n—1 n—1 |
|
|
|
|
|
|
Напомним, что |
( u m , P l |
, и , а д ) |
= |
ft2 2 |
2 |
|
"т,'Р ,- |
В |
(1.67) |
||||
индексы |
/ указывают |
компоненты, a |
m |
и р — номера |
соб |
||||||||
ственных |
элементов, |
которые можно упорядочить, записав |
|||||||||||
|
|
"mp«=U.- |
|
|
(1=1,2,...). |
|
|
|
|||||
Поскольку имеют место очевидные соотношения |
|
|
|||||||||||
— (Д& Vh U{)/t,f = |
2 ^ |
sin2 |
^ ~ |
s i n m : |
n ; ^ s i n |
Z 7 л |
|
|
|||||
— (Ai у< Ui)h,t = |
2 sin ш я й ^ |
sin2 |
|
sin |
pnth)j, |
|
|
||||||
то собстве«ные числа будут иметь вид |
|
|
|
|
|
||||||||
|
Хтр |
(А") |
= |
^ ( s i n * ^ |
+ sin2 |
|
|
|
|
(1.68) |
Заметим, что тир изменяются от единицы до га—1. Сле довательно, h = і - < m/i < (л — 1)я = 1 — h и / г < ! / ? л < 1 — А, поэтому
£ г і п » ^ < М Л * ) < £ е о в » т *
Здесь K((Ah)—упорядоченные |
А т р ( Л л ) . Поскольку, как |
пра |
||||
вило, |
то можно приближенно записать |
|
||||
|
s i n * J * = ^1 |
_ |
о (ft*), cos2 у - = 1 — О (Л*). |
|
||
и, следовательно, будем |
иметь: |
|
|
|
||
|
а И Л ) ^ ^ ^ р ( Л ' ' ) ; |
|
(1.69) |
|||
|
а (А* ) = | |
s i n 2 ^ , |
6 (Л* ) = £ |
cos 2 ^ , |
(1.70) |
|
где |
|
|
|
|
|
|
|
<* (А*) = |
|
2я*, р (Л») = |
« | . |
|
|
Базис собственных векторов (1.67) может быть использо |
||||||
ван для разложения вектора <р в ряд. Получим |
|
|||||
|
|
|
<Р = 2 < Р і " ь |
|
(1-71) |
|
где |
|
|
і |
|
|
|
|
Ф*=(Ф, |
и.)- |
|
(1.72) |
||
|
|
|
1.2. А П П Р О К С И М А Ц И Я
Рассмотрим некоторую задачу математической физики в операторной форме
|
|
|
|
|
Л Ф = / |
в |
D, |
|
|
|
(2 1) |
|
|
|
|
а Ф = £ |
на |
dD, |
|
|
|
||
где |
|
|
|
F. Здесь |
|
v |
|||||
Л — линейный оператор, ф Є Ф и f е |
Ф и / 7 — |
||||||||||
гильбертовы пространства с областями определения |
элементов |
||||||||||
в D-\-dD |
и D соответственно, а — линейный |
оператор гранич |
|||||||||
ного |
условия, |
geG, |
G— гильбертово пространство |
функций |
|||||||
с областью определения |
dD. |
|
|
|
|
|
|
||||
Наряду с уравнением |
(2.1) рассмотрим |
уравнение в конеч |
|||||||||
номерном эвклидовом |
пространстве |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
Л ' У ' ^ Р ' в Du, |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
flAq)A = gA |
на |
dDh, |
|
|
|
( 2 - 2 ) |
|
где |
Ah |
— линейный |
оператор, |
зависящий |
от шага |
сетки |
|||||
h, ф л єФ/,, \h^Fh, |
а Ф/і и Fh — эвклидовы |
пространства. |
Здесь |
||||||||
D/, — множество внутренних узловых точек области D, a |
dDh— |
множество узловых точек, на которых аппроксимируется гра ничное условие задачи, ah — линейный оператор, gf t sGft, Gh— эвклидово пространство векторов с областью определения dDh.
Введем в рассмотрение |
нормы вектора в сеточных простран |
||||||
ствах F/,, Gi„ |
Ф/і. Далее обозначим |
|
— вектор, являющий |
||||
ся проекцией |
функции |
t, |
па соответствующую сеточную об |
||||
ласть. Будем говорить, что задача |
(2.2) а п п р о к с и м и р у- |
||||||
ет задачу (2.1) с |
п о р я д к о м |
п |
на |
решении ср, если |
|||
|
|
| | ( / \ Ф )„ |
- |
A" (9)A||fа |
< |
MJi", |
|
|
|
" |
|
' Л |
|
|
(2.3) |
|
Щсщ),, - |
а" (ф)Л ||Сд < |
M3h« , |
||||
|
|
|l(g)A-g"||6A <AJ4 /i'', |
|||||
где МІ — некоторые не зависящие от h константы. |
|||||||
Напомним |
еще |
раз, |
что А'' — сеточный оператор, аппрок |
||||
симирующий |
исходный |
оператор |
А |
в |
узлах сетки. Он. опре |
делен на сеточных функциях ф\ В частности он также опре делен на (ф)ь — проекции решения исходной задачи (2.1) на сеточную область. Это значит, что имеют смысл как опе
рация Л'Чр'', так и /1; '(ф)/,. С другой стороны, |
на ф ^ Ф |
дей |
|||
ствует оператор Л, следовательно, определена |
функция |
Лф |
|||
в области |
D; спроектировав ее на сетку, находим |
сеточную |
|||
функцию |
(Лф)/,. |
Разность (Лф)д— Лл (ф)/, н |
фигурирует в |
||
первой из |
формул |
(2.3). Далее берется норма |
этой |
разности |
|
в пространстве F/,. Так же конструируется вторая формула. |
|||||
Последние |
формулы имеют аналогичный смысл, но уже на |
dDh. |
Более подробное изложение этих вопросов можно найти в
книгах С. К. Годунова п В. С. Рябенького1 3 1 , |
Рихтмайера1 3 1 , |
Л. В. Канторовича и Г. П. Акилова[ 1 ] , А. А. |
Самарского1 3 1 . |
В тех случаях, когда решение задачи (2.1) обладает до статочной гладкостью, порядок аппроксимации удобно на ходить с помощью нормы, естественной для пространства непрерывных и дифференцируемых функций. С этой целью обычно пользуются разложением решения и других функций, участвующих в постановке задачи, в ряды Тейлора.
В дальнейшем будем полагать, что редукция задачи (2.1) к задаче (2.2) осуществлена и, более того, граничное условие из (2.2) использовано для исключения решения в граничных
точках |
области Du + dDh- В |
результате |
приходим |
к эквива |
|
лентной |
задаче |
|
|
|
|
|
Л " ф ' 1 = т \ |
|
|
(2.4) |
|
где областью определения решения ф'1 |
теперь является Dh. |
||||
При этом значение решения |
в граничных |
точках |
найдется |
||
из уравнения (2.2) после решения уравнения |
(2.4). |
|
Внекоторых случаях удобно пользоваться записью ап-
проксимационной задачи в форме |
(2.4), а в других случа |
ях — в форме (2.2). |
' |
Итак, в результате проведенной редукции и с учетом тре
буемой аппроксимации задача с непрерывным |
аргументом |
||||||
(2.1) приводится к задаче линейной алгебры |
(2.4). Дальнейшая |
||||||
задача |
состоит в решении |
системы алгебраических |
уравнений. |
||||
П р и м е р . Рассмотрим |
задачу |
|
|
|
|||
|
— Acp=f в D, |
ср=0 на 3D. |
|
|
(2.5) |
||
Здесь предполагается, что областью определения D является |
|||||||
квадрат |
{ 0 < х < 1 , |
0 < г / < 1 } , |
a f — гладкая |
функция. |
Квад |
||
рат D покроем равномерной сеткой по х и по у с шагом к. |
|||||||
Узлы области будем отмечать двумя индексами |
(k, |
I ) , где |
|||||
первый |
индекс k |
(Q^.k^n) |
|
соответствует |
точкам деления |
по координате х, а / (Osg/ssCn) |
по у. |
Рассмотрим следующие |
аппроксимации: |
|
|
Фл-л- -* \Vk (Ф)л - |
Фда |
A?Vz (Ф)л - |
где разностные операторы Ак, Д<, Vh и V ; определены в 1.1.4. Тогда задача (2.5) может быть аппроксимирована следующей:
|
|
|
|
— [АЛУАФл + |
ДіУФ'1] = ЇЛ в D F T , |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
п |
яп |
|
|
|
|
|
(2-6) |
где |
|
|
|
|
Фл,г=0 на |
dDh, |
|
|
|
|
уче |
||
dDh — множество узлов, |
принадлежащих границе. С |
||||||||||||
том |
изложенного |
задача (2.6) может |
быть приведена |
к |
виду |
||||||||
|
|
|
|
|
— д л ф л = ^ |
в /Л, |
|
|
|
|
(2.7) |
||
|
|
|
|
|
q>h = |
0 на |
dDh, |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
где Ф'1 |
и f' — векторы с компонентами |
ф£1 |
и fft z |
и |
|
|
|
||||||
(Д* Ф Л ),,, |
= |
1 ( Ф * + 1 і , + cp*_l i ( + |
qfiht / |
+ 1 + |
< |
- |
4ф*і г ), |
|
|||||
fik.i |
= |
7? |
1 |
1 |
fdxdy(xk±u2 |
= |
* f t + |
- j - , |
& ± i / 2 = |
^ + |
x)• |
||
|
Введем в рассмотрение пространство решений |
|
Обла |
||||||||||
стью определения элементов из Фл примем Dh-j-dDk— |
|
{{Хк,Уі); |
|||||||||||
|
|
|
|
|
Вектор ' f'1 |
принадлежит |
Fh |
с |
обла |
||||
стью определения Dh={(xk, |
уі); |
l ^ & s g n — 1, |
1 s ^ / ^ I n — 1}. |
||||||||||
Разлагая решение в ряд Тейлора |
в окрестности |
точки |
(xh, yi) |
||||||||||
и предполагая ограниченность производных по (х, |
у) |
вплоть |
|||||||||||
до четвертого |
порядка, будем иметь |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
з |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* R * ) - & i |
J r { [ e - * ) & + < < ' - * >ду& Ф |
+ |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
і |
|
|
|
|
|
дх |
ду. ф к+ви 1+в, |
где |
. |
_ |
Xft+e, |
Є |
{х, xk ) и у1+ва_ <= {у, у і). |
Аналогичное разложение будем иметь и для функции f(x, у). Разложения ф и f рассмотрим в области {Xft_i^дг^jcf e + i, УІ-І^У^УІ+І} ч подставим их в (2.7). Оценивая результат по норме, будем иметь
11(ДФ)Л -ДЛ (ФЫК<^2 - 8 )
где М\ и ЛІ2—константы. Отметим, что если fft£_, выбрать равным f(xh, tji), то во втором соотношении (2.8) М 2 = 0 , и мы в данной метрике получим точную аппроксимацию пра вой части уравнения (2.5).
В результате простого анализа приходим к выводу, что задача (2.7) аппроксимирует исходную задачу (2.5) со вто рым порядком.
До сих пор рассматривалась аппроксимация задачи по пространственным переменным. Аналогичным образом может
быть |
рассмотрена |
задача |
аппроксимации |
эволюционного |
||||||||||
уравнения *> |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
^ Ч - Л Ф |
|
= / |
в Д |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
ay=g |
на dD, |
|
|
|
(2.9) |
||||
|
|
|
|
|
Ф = Ф ° в |
D |
при |
1 — 0. |
|
|
|
|
||
Аппроксимацию |
задачи |
|
(2.9) |
проведем |
в |
два этапа. |
Сна |
|||||||
чала |
эту задачу |
аппроксимируем |
в области |
Dn+dDh |
по про |
|||||||||
странственным переменным. В результате приходим |
к |
диф |
||||||||||||
ференциальному |
уравнению |
по времени |
и |
разностному по |
||||||||||
пространственным |
переменным. |
|
|
|
|
|
||||||||
Рассмотрим |
новое эволюционное уравнение |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
^ |
|
+ |
А Ф " = ^ 1 |
|
|
|
(2.10) |
||
где Л, fh |
и ф'1 |
— функции |
времени |
t. В дальнейшем |
индекс h |
|||||||||
в задаче |
(2.10) |
будем |
опускать как несущественный, |
пред |
||||||||||
полагая, что мы имеем |
дело |
с разностным аналогом |
по про |
странственным переменным исходной задачи математической физики.
Уравнение (2.10) является, очевидно, системой обыкновен ных дифференциальных уравнений для компонентов век тора фл .
*) Так будем называть уравнение, которое явно разрешается относи тельно первой производной по времени и не содержит в А производных по времени.
Итак, рассмотрим следующую задачу Коши:
2Г + |
Л < Р = ^ |
(2.11) |
<p=g |
при / = |
0. |
Предположим, что оператор Л не зависит от времени. Рас смотрим простейшие методы аппроксимации задачи (2.11) по времени. Наиболее употребительными разностными схе мами в настоящее время являются схемы перього и второго
порядков |
аппроксимации |
по t. |
|
|
|
|
|
||
Сначала |
рассмотрим |
простейшую |
явную схему |
первого |
|||||
порядка |
аппроксимации |
на сетке |
Dx |
|
|
|
|
||
|
|
ф Я ' т - ф ' |
+ Л с р ^ К |
q>° = |
g. |
(2.12) |
|||
где x=tj+l—tj, |
р— некоторая |
проекция |
функции |
f. Ради |
|||||
простоты здесь можно принять p—f |
(tj). |
|
|
||||||
Если |
рассматривается |
простейшая |
|
неявная схема, то |
|||||
имеем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ф ' + ' т ~ ф ; |
+ Л Ф > + ' |
= |
/ ' , Ф ° = & |
(2.13) |
|||
и р выберем в виде f(tj+\). |
Схемы |
(2.12) |
и (2.13)—первого |
||||||
порядка |
аппроксимации |
по |
времени. В |
этом легко |
убедиться |
с помощью разложения в ряд Тейлора по времени, допустив,
например, существование |
ограниченных |
производных (повре |
||||||||||
мени) от решения до второго порядка. |
|
|
|
|
|
|||||||
Разрешая |
схемы |
(2.12) и (2.13) |
относительно |
неизвестно |
||||||||
го, приходим |
к рекуррентному |
соотношению |
|
|
|
|||||||
|
|
|
ф я-| = |
Гф*+т5/*, |
|
|
|
|
(2.14) |
|||
где Г — о п е р а т о р |
ш а г а , |
a S — о п е р а т о р |
и с т о ч н и к а , |
|||||||||
определяемые |
следующим образом: для |
схемы |
(2.12) |
Т= |
||||||||
=Е-хЛ, |
S = |
E, для схемы (2.13) Т= (Е+тА)-\ |
S = |
T. |
||||||||
Разностные схемы типа (2.14) для эволюционных уравне |
||||||||||||
ний будем называть |
двухслойными. |
|
|
|
|
|
|
|||||
Большой интерес в приложениях имеет схема второго по |
||||||||||||
рядка |
аппроксимации — схема |
Кранка — Николсона |
|
|||||||||
|
|
S ^ V |
+ |
A |
^ |
^ |
- |
f |
t |
|
|
(.2.15) |
где p=f(tj+i/z). |
Схему |
(2.15) |
можно |
также |
представить в |
|||||||
форме |
(2.14) |
при |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Г = ( £ + 4 - Л ) ~ 1 ( £ - - | - Л ) ,
|
В некоторых |
случаях разностные |
уравнения |
(2.12),- |
(2.13) |
|||||||||
и (2.15) |
удобно |
записывать в форме системы двух уравнений, |
||||||||||||
из |
которых |
одно |
аппроксимирует |
само |
уравнение |
в |
D/,T , |
|||||||
а другое — граничное |
условие па dDkx. |
В |
этом |
случае разно |
||||||||||
стный аналог задачи |
(2.9) имеет |
вид |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
№ ф ' « = Р « в 1 ) Л „ |
|
|
|
.(2.16) |
||||
|
|
|
|
|
|
/ЛТфЛт—^Лт ,.,а QDh^ |
|
|
; |
|
||||
где |
Dbx—D^D,., |
|
dDhx=DxX.dDh. |
|
|
Предполагается, |
что L h x |
|||||||
аппроксимирует |
оператор |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
а |
— оператор |
/ на интервале |
0^.t^LT. |
|
Аналогичным |
обра |
||||||||
зом |
f 1 T |
и ghT |
аппроксимируют |
в |
соответствующих |
(вообще |
||||||||
говоря, различных) |
нормах / и g, |
т. е. |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
||(Lcp)„t |
- |
L ' » (ф)/,г!|к„т < |
|
MJi" |
+ N.T", |
|
|
||||
|
|
|
І І (/)'.т-ї, , 1 і ,/ ,т <Л/3 /г'Ч-Л/зт"1 |
|
|
(.2.17) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
В этих неравенствах, как и |
в |
(2.3), |
( |
)пт есть |
оператор |
проектирования на соответствующее сеточное пространство. Разностное уравнение в канонической форме (2.14) с по мощью введения вектор-функций и новых операторов, дей
ствующих в пространстве DhxDx, |
где Dx есть совокупность |
{tj}, также можно записать в виде |
|
1 Ф = т . |
(2.18) |
Таким образом, эволюционное уравнение с учетом гранич ных условий и начальных данных редуцировано, к задаче ли нейной алгебры (2.18). Заметим, что для анализа аппрокси мации в разных случаях можно пользоваться либо сетко'й' Dh, либо Df,XDx. В частном случае к уравнению (2.18) можно свести краевую задачу эллиптического типа, интегральное уравнение и т. д. При этом условие аппроксимации снова можно записать в форме (2.17), где аппрексимационным ин дексом будет только h — максимальное значение из совокуп ности (Ах,-) шагов по геометрическим переменным.
П р и м е р . Рассмотрим задачу
,!ф = 4 5 |
|
А Ф |
= / |
в D x |
Dh |
Ф = |
0 |
на |
dDxDt, |
(2.19) |
|
Ф=|г |
в |
D |
при |
t=0. |
|
Областью определения решения будем считать |
(DJrdD)XDt, |
|||||||||||||
где |
D, |
как |
и прежде, |
квадрат, |
a |
Dt= {0^1^.Т}. |
Перейдем |
|||||||
от |
D к |
Dh, |
3D |
к |
dDh |
и от |
Dt |
к |
Dx. Пусть |
Dx — |
множество |
|||
точек tj |
и ^j+i — tj=x. |
Тогда |
в качестве аппроксимации задачи |
|||||||||||
(2.19) примем следующую: |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
A>n<tf=V |
в |
|
DhXDx, |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
<р* = |
0 на dDhXDr, |
|
(2.20) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
9° = |
g |
в |
DA . |
|
|
||
|
Рассмотрим |
простейшую |
явную аппроксимацию |
|||||||||||
|
|
|
( |
^ |
, |
, |
= |
^ |
' |
7 ^ ' |
- А " Ф Ь , |
|
(2.21) |
|
|
|
|
Д,г = |
^ |
|
J |
|
|
J |
f{x,y,tj)dxdy, |
|
(2.22) |
||
|
|
|
|
|
|
* f t - l / 2 |
|
1/2 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
. |
V f - I / 2 |
И *+1/2 |
|
|
||||
|
|
|
ffM |
= |
- p - |
j |
|
|
J |
g(x,y)dxdy. |
|
(2.23) |
||
Следующую |
схему будем называть |
я в н о й : |
|
|
||||||||||
|
|
|
Ф Й 1 |
= |
< / |
+ |
-ГА*ФЬ |
+ |
1 5 D f t х |
D * ' |
( 2 - 2 4 ) |
|||
Кроме |
того, |
|
|
|
|
= |
0 на dDn |
х 5Dx, |
|
|
||||
|
|
|
|
|
Ф ^ Г |
|
(2.25) |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рекуррентное соотношение |
(2.24) |
представим |
в виде |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
КУ |
= Щ.1 |
+ |
|
(2-26) |
где T—E+xts.h = E—т(Лі+Лг) — оператор шага, а операторы Ai(Ai=Ah, А2=Аг) определены формулами (1.63). Подсчи таем его норму. Для этой цели найдем максимальное собствен ное число оператора Т:
Ти = |
Х{Т)и в D A , |
|
u = |
0 на dDh. |
(2.27) |
Имеет место очевидное соотношение
М Г ) = 1 + т Ы д Л ) . Следовательно, норма оператора Т имеет вид
||7| = max |
— -р- COS2 - g - |
- i ? s m - r |
|
l |
и если -J-<-J-,to |j7|< 1.