4. Примеры схем Рунге–Кутты

Вернемся теперь к конкретному выражению для qиз (32) и для простоты ограничимся случаем действительных < 0. Это особенно не меняет существа дела, но упрощает выкладки. Будем также полагатьb₁₂= 0 (полуявные схемы), тогдаqне зависит также и отb₂₁, а оставшиеся два свободных коэффициента примем за оси координатной плоскости, в которой будем вести рассмотрение (рис. 1.12).

Рис. 1.12. Полуявные схемы Рунге–Кутты в плоскости неопределённых коэффициентов ( K = 2 )

Область устойчивых при всех – ≤  ≤ 0 схем, т. е. областьA-устойчивых схем –1 ≤ q() ≤ 1, на рис. 1.12 заштрихована (горизонтальная штриховка: –1 ≤ q(–) ≤ 0, вертикальная штриховка 0 ≤ q(–) ≤ 1).

Множество схем 3-го порядка аппроксимации (31) на рис. 1.12 показано сплошной кривой (гипербола с асимптотами b₁₁= 1/2,b₂₂= 1/2).

Для L-устойчивых схем из (32), (34) имеем

b₁₁b₁₂ – (b₁₁ + b₁₂) + 1/2 = 0. (35)

На рис. 1.12 L-устойчивым схемам (35) соответствует штриховая кривая (гипербола с асимптотамиb₁₁= 1,b₂₂= 1). Видно, что в данном случае (среди полуявных схем Рунге–Кутты сK= 2)ниL-устойчивых,ни монотонных схем третьего порядка нет, аL-устойчивые схемы второго порядка расположены на кривыхA₃A₄΄A₅΄иA₄.

Несколько конкретных примеров. На прямой b₁₁=b₂₂, проходящей через точкиO,A₄^΄,B₁,A₂,A₄, расположены схемы Бутчера. ТочкаA₃(и точкаA₃΄, так как точкам, симметричным относительно прямойb₁₁=b₂₂соответствует формальная замена в (21), (22) индексов 1 и 2) называется схемой Лобатто, и для неё таблица Бутчера имеет вид

0	0	0		0	0	0
½	0	½	или	b21+½	b21	½	(36)
	0	1

(более общий вариант, b₂₁≠ –1/2).

Это полуявная (с явным предиктором, т. е. достаточно экономная по объему вычислений) схема 2-го порядка аппроксимации. Она расположена на границе областиA-устойчивых схем, монотонна лишь при ‑2 ≤  ≤ 0 и неL-устойчива (q(–)=–1).

Точка A₁(и симметричная ей точкаA₁^΄) также расположена на границе областиA-устойчивых схем, неL-устойчива ((‑)=–1), монотонна лишь при –1– ≤  ≤ 0 и по своим свойствам мало отличается от схемы Лобатто. Соответствующая ей таблица Бутчера имеет вид

1	1	0		1	1	0
0	–½	½	или	b21+½	b21	½	(37)
	½	½					(b21 ≠ 1/2).

Точка A₂являетсяA-устойчивой, но неL-устойчивой схемой ((–)=–1/2), монотонна при –1– ≤  ≤ 0, как и схемаA₁, имеет второй порядок аппроксимации, по своим свойствам несколько лучше предыдущих схем. Соответствующая ей таблица Бутчера имеет вид

1	1	0		1	1	0
½	–½	1	или	b21+½	b21–½	1	(38)
	0	1					(b21 ≠ 1/2).

Точки A₄иA₄΄являются примерамиA-иL-устойчивых схем (точкаA₄также монотонна при всех отрицательных значениях) второго порядка аппроксимации. В соответствующей им таблице Бутчера знак ‘+’ относится к схемеA₄, а знак ‘–’ — кA₄΄:

		0
			(39)
			(b21  0).

Схема Хаммера–Холлингсворта — 2-го порядка, неявная, не L-устойчивая (q(–)=1; пример неудачной схемы):

Явная схема Эйлера–Коши (точка O ):

0	0	0
1	1	0	(40)
	0	½

Две полуявные схемы 3-го порядка, не L-устойчивые, немонотонные,A-устойчивые:

1) точка B₁(схема Розенброка)

		0
			(41)

2) точка B₂, для которой

1	1	0
1/3	–1/3	2/3	(42)
	1/4	3/4

Основная гипотеза, принимаемая здесь и в дальнейшем при анализе разностных схем: точкамвпространственеопределенныхкоэффициентов {b_kl}, которые близки между собой (в смысле расстояния, например, в евклидовой метрике), соответствуют схемы, близкие по своим свойствам (точности, устойчивости и т. п.).