Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Литература / А.А.Самарский. Введение в численные методы

.pdf
Скачиваний:
461
Добавлен:
17.04.2013
Размер:
14.64 Mб
Скачать

ВВЕДЕНИЕ В ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ

Самарский А. А.

Книга написана на основе курса лекций, читавшихся автором па факультете вычислительной математики и кибернетики МГУ, и предназначается для ознакомления с началами численных методов. Теория численных методов излагается с использованием элементарных математических средств, а для иллюстрации качества методов используются простейшие математические модели.

В книге рассматриваются разностные уравнения, численные методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений, линейных и нелинейных алгебраических уравнений, разностные методы

для уравнений в частных производных.

 

 

 

Для студентов факультетов и отделений прикладной математики вузов.

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

§ 3. Консервативные разностные схемы

152

Предисловие

 

§ 4. Однородные схемы на

159

Введение

7

неравномерных сетках

 

Глава I. Разностные уравнения

23

§ 5. Методы построения разностных

167

§ 1. Сеточные функции

23

схем

 

§ 2. Разностные уравнения

26

Глава V. Задача Коши для

174

§ 3. Решение разностных краевых задач

34

обыкновенных дифференциальных

 

для уравнений второго порядка

 

уравнений

 

§ 4. Разностные уравнения как

38

§ 1. Методы Рунге — Кутта

174

операторные уравнения

 

§ 2. Многошаговые схемы. Методы

184

§ 5. Принцип максимума для

55

Адамса

 

разностных уравнений

 

§ 3. Аппроксимация задачи Коши для

195

Глава II. Интерполяция и численное

61

системы линейных обыкновенных

 

интегрирование

 

дифференциальных уравнении первого

 

§ 1. Интерполяция и приближение

61

порядка

 

функций

 

§ 4. Устойчивость двухслойной схемы

200

§ 2. Численное интегрирование

70

Глава VI. Разностные методы для

211

Глава III. Численное решение систем

85

эллиптических уравнений

 

линейных алгебраических уравнений

 

§ 1. Разностные схемы для уравнения

211

§ 1. Системы линейных алгебраических

85

Пуассона § 2. Решение разностных

221

уравнений

 

уравнений

 

§ 2. Прямые методы

91

Глава VII. Разностные методы решения

232

§ 3. Итерационные методы

96

уравнения теплопроводности

 

§ 4. Двухслойная итерационная схема с

110

§ 1. Уравнение теплопроводности с

232

чебышевскими параметрами

 

постоянными коэффициентами

 

§ 5. Попеременно-треугольный метод

120

§ 2. Многомерные задачи

243

§ 6. Вариационно-итерационные методы

126

теплопроводности

 

§ 7. Решение нелинейных уравнений

130

§ 3. Экономичные схемы

250

Глава IV. Разностные методы решения

137

Дополнение

260

краевых задач для обыкновенных

 

Литература

266

дифференциальных уравнений

 

Предметный указатель

267

§ 1. Основные понятия теории

137

Список обозначений

270

разностных схем

 

 

 

§ 2. Однородные трехточечные

149

 

 

разностные схемы

 

 

 

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

 

Жесткие системы уравнений 192

 

Алгоритм неустойчивый 13

 

Задача Дирихле 211

 

— условно устойчивый 13

 

— корректная 14

 

— экономичный 11

 

— Коши 32

 

Аппроксимация разностная (на сотке) 138

 

— краевая 32

 

— суммарная 254

 

— некорректная 15

 

Весовые множители 70

 

— о собственных значениях 42

 

Вычислительная неустойчивость 115

 

Интерполянта 61

 

Интерполяционный полином 62

— — левой 37

 

— — Лагранжа 64

— — правой 37

 

— — Ньютона 64

Метод простой итерации 98

Интерполяция эрмитова 65

— прямой 89

 

Итерационные методы 90

— прямых 234

 

Итерационный метод двухшаговый

— разделения переменных 222

(трехслойный) 97

— Ритца 172

 

— — неявный 97

— Ричардсона 115

 

— — одношаговый (двухслойный) 97

— Рунге 82, 165, 178

— — явный 97

— Рунге — Кутта 174

Квадратурная формула 70

— секущих 136

 

— — Гаусса 82

— скорейшего спуска 128

— — Котеса 74

— сопряженных градиентов 129

— — прямоугольника 71

— стационарный

итерационный 102

— — Симпсона 72

— сумматорных тождеств 171

— — трапеции 71

— Штёрмера 189

 

— — Чебышева 83

— энергетических неравенств 144, 207

Коэффициенты Лагранжа 62

Минимизирующий квадратичный функционал

Краевые условия 33

171

 

— — 1-го рода 33

Наилучшее среднеквадратичное приближение

— — 2-го рода 33

68

 

Краевые условия 3-го рода 33

Невязка для разностной схемы на решении 146

Кубическая сплайн-интерполяция 65

Норма оператора 40

Линейно независимые векторы 39

Обратное интерполирование 67

— — решения 27

Однородная разностная схема 150

Линейное пространство 38

Оператор единичный 41

— — действительное 38

— линейный 40

 

— — комплексное 38

— неотрицательный 41

Мажорантная функция (мажоранта) 55

— обратный 40

 

Матрица верхняя треугольная 87

— ограниченный 40

— диагональная 86

— положительный 41

— ленточная 88

— разрешающий 111

— нижняя треугольная 86

— самосопряженный 41

— разреженная 87

— сопряженный 41

Мера обусловленности 89

— факторизованный 129, 252

Метод Адамса — Штёрмера 191

— экономичный

(экономичность оператора)

— баланса (интегро-интерполяционный) 167

119

 

— Бубнова — Галеркина 173

Операторное уравнение первого рода 88

— вариационно-разностный 171

Операторы перестановочные 41

— вариационного типа 126

Ошибка округления 10

— верхней релаксации 101

Погрешность аппроксимации для краевого

— дихотомии 130

условия 146

 

— Зейделя 99

— — в точке, m-й порядок 139

— касательных 133

— — для уравнения 146

— конечных элементов 173

— — на решении 147

— линеаризации 133

— — па сетке 140, 185

— минимальных невязок 127

— — оператора 139

— Ньютона 133

— квадратурной формулы 70

— переменных направлений 251

— метода 10

 

— Пикара (последовательных приближении)

Погрешность неустранимая 10

175

Полином обобщенный 68

— попеременно-треугольный 120

— Чебышева 112, 114

— поправок 128

Принцип максимума 55

— прогонки 34

Пространство евклидово (унитарное) 39

— — встречной 37

— нормированное 39

— сеточных функций 46

— — Рунге — Кутта 179

— энергетическое 45

— — с весами 198

Процесс Эйткена 81

— — с опережением 198

Равенство Парсеваля — Стеклова 69

— — симметричная 198

Равномерное приближение 69

— — условно устойчивая схема (пример) 182

Разделенные разности 1-го порядка 64

— — устойчивая 142, 143

— — 2-го порядка 64

Разностная схема чебышевская итерационная

Размерность линейного пространства 39

112

Разностная производная 139

— — чисто неявная 198

— — левая 139

— — Эйлера 141, 176

— — правая 139

— — экономичная 250

— — центральная 139

— — явная 198

— схема 141

Разностное уравнение линейное с постоянными

— — Адамса 188

коэффициентами 26

— — аддитивная 256

— — m-го порядка >= 1) 26

— — безусловно устойчивая (пример) 182

— — однородное 28

— — двухслойная 181, 197

Разностные неравенства 27

— — Дугласа — Рекфорда 254

— формулы Грина 50

— — квазиустойчивая 145

Сетка квадратная 212

— — консервативная 152

— неравномерная 16

— — корректная 142

— равномерная 16

— — Кранка — Николсона 230

Сеточная функция 16, 138

— — крест 212

Сплайн порядка т 66

— — локально-одномерная 258

Среднеквадратичное уклонение 68

— — многошаговая 184

Сходимость разностной схемы 146

— — m-го порядка точности 146

— с квадратичной скоростью 134

— — m-шаговая >= 1) 185

Уравнение теплопроводности 232

— — неустойчивая 142

Устойчивость разностной схемы с весами 182

— — неявная 198

Формула Тейлора 74

— — одношаговая 181

Формулы бегущего счета 125

— — Писмена — Рекфорда 251

Численное интегрирование 70

— — предиктор — корректор (счет —

Число обусловленности 89

пересчет) 180

Шаблон 139

— — расщепления 258

— квадратурной формулы 71

— — р-устойчивая 201

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Эта книга представляет собой введение в теорию численных методов, использующее минимум сведений из анализа, линейной алгебры и теории дифференциальных уравнений. Книга возникла в результате обработки лекций, которые автор читал в течение нескольких лет для студентов второго курса факультета вычислительной математики ц кибернетики Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова.

Содержание книги традиционное — интерполяция и аппроксимация, численное интегрирование, решение нелинейных уравнении, прямые и итерационные методы решения систем линейных алгебраических уравнений, разностные методы решения задачи Коши и краевых задач для обыкновенных дифференциальных уравнений.

Автор стремился сделать изложение доступным для первого чтения, обращая внимание на основные понятия теории численных методов и иллюстрируя их простейшими примерами.

В настоящее время при численном решении многих задач физики и техники, описываемых уравнениями математической физики, используется метод конечных разностей. Основные понятия теории разностных методов (аппроксимация, устойчивость, сходимость) мы иллюстрируем на примерах разностных схем для обыкновенных дифференциальных уравнений. При аппроксимации дифференциальных уравнений получаются разностные уравнения, представляющие собой системы линейных уравнений высокого порядка с матрицами специального типа (имеющими много нулевых элементов), например, трехдиагональными. Важную роль играет выбор эффективных методов (прямых

и итерационных) решения таких систем. В связи с этим в книге излагаются основы общей теории итерационных методов. Большое внимание уделено вопросу устойчивости вычислений на электронных вычислительных машинах. В главе V дано простое изложение теории устойчивости задачи Коши для системы разност-ных уравнений первого порядка. Здесь получены совпадающие необходимые и достаточные условия устойчивости разностных схем, а также исследована асимптотическая устойчивость разностных схем.

В последних двух главах книги (главы VI и VII) рассматриваются разностные методы решения эллиптических уравнений и уравнения теплопроводности. Эти главы являются дополнительными и позволяют осуществить переход к теории разностных схем для уравнений с частными производными.

Колее полное изложение отдельных разделов численных методов можно найти в книгах: Самарский А. А. Теория разностных схем.— М.: Наука, 1977; Самарский Л. А., Николаев Е. С. Методы решения сеточных уравнений.— М.: Наука, 1978, а также в пособиях, список которых приведен в конце книги.

Книга рассчитана па студентов младших курсов, специализирующихся по прикладной математике и математической физике; она может оказаться полезной также для аспирантов и научных сотрудников, изучающих численные методы.

Автор пользуется возможностью выразить глубокую благодарность Л. В. Гулипу, прочитавшему рукопись и сделавшему ряд ценных замечаний, Е. С. Николаеву, оказавшему помощь при написании дополнения, а также М. И. Бакировой и Н. П. Савенковой за помощь в процессе работы над книгой и при подготовке ее к печати.

А. Л. Самарский