2.6. Свойства переноса краевых условий в методе с.К. Годунова

При решении краевой задачи для системы "жестких" линейных обыкновенных дифференциальных уравнений методом С.К. Годунова говорят, что осуществляется дискретная ортогонализация по методу Грамма-Шмидта применительно к вектор-функциям, образующим многообразие решений данной задачи, с целью преодоления тенденции вырождения этих вектор-функций в линейно зависимые.

Вместе с тем, при реализации метода Годунова одновременно происходит и перенос краевых условий от начального для интегрирования края к другому. Покажем свойства этого переноса. 

Ранее было записано

и.

Тогда можно сказать, что:

- вектор w*, который неизвестен, является вектором константс,

- в тоже время вектор w* имеет физический смысл неизвестного на краюх=0 внешнего воздействия на деформируемую систему,

- матрица W* является матрицей краевых условий, неизвестных на краюх=0.

Из сформулированных положений следует, что перенос граничных условий в методе С.К. Годунова имеет следующий смысл.

Продолжение интегрирования, начиная с вектора , означает перенос "свертки"матричного уравнения краевых условий прих=0 к правому краюх=1.

Продолжение интегрирования, начиная с векторов в матрице означает, что матрица краевых условийW*, которые неизвестны на краюх=0, переносится на крайх= 1.

Интегрирование дифференциальных уравнений ведется с целью переноса на край х=1 векторас, а значит вектораw*, который выражает условия неизвестные на краюх=0.

Перенос матрицы W* и вектораw* означает, что матричное уравнениекраевых условий, которые неизвестны на краюх=0, переносится на крайх=1.

2.7. Модификация метода с.К. Годунова

Решение в методе С.К. Годунова ищется, как это записано выше, в виде формулы

.

Можем записать эту формулу в двух вариантах – в одном случае формула удовлетворяет краевым условиям левого края (индекс L), а в другом – условиям на правом крае (индексR):

_,

_.

В произвольной точке имеем

_.

Тогда получаем

_,

_,

_.

То есть получена система линейных алгебраических уравнений традиционного вида с квадратной матрицей коэффициентов для встречного вычисления векторов констант.

Глава 3. Метод «переноса краевых условий» (прямой вариант метода) для решения краевых задач с нежесткими обыкновенными дифференциальными уравнениями.

Предлагается выполнять интегрирование по формулам теории матриц [Гантмахер] сразу от некоторой внутренней точки интервала интегрирования к краям:

,

.

Подставим формулу для в краевые условия левого края и получим:

,

,

.

Аналогично для правых краевых условий получаем:

,

,

.

То есть получаем два матричных уравнения краевых условий, перенесенные в рассматриваемую точку :

,

.

Эти уравнения аналогично объединяются в одну систему линейных алгебраических уравнений с квадратной матрицей коэффициентов для нахождения решения в любой рассматриваемой точке:

.

Глава 4. Метод «дополнительных краевых условий» для решения краевых задач с нежесткими обыкновенными дифференциальными уравнениями.

Запишем на левом крае ещё одно уравнение краевых условий:

.

В качестве строк матрицы можно взять те краевые условия, то есть выражения тех физических параметров, которые не входят в параметры краевых условий левого краяили линейно независимы с ними. Это вполне возможно, так как у краевых задач столько независимых физических параметров какова размерность задачи, а в параметры краевых условий входит только половина физических параметров задачи. То есть, например, если рассматривается задача об оболочке ракеты, то на левом крае могут быть заданы 4 перемещения. Тогда для матрицыможно взять параметры сил и моментов, которых тоже 4, так как полная размерность такой задачи – 8. Векторправой части неизвестен и его надо найти и тогда можно считать, что краевая задача решена, то есть сведена к задаче Коши, то есть найден вектор из выражения:

,

то есть вектор находится из решения системы линейных алгебраических уравнений с квадратной невырожденной матрицей коэффициентов, состоящей из блокови.

Аналогично запишем на правом крае ещё одно уравнение краевых условий:

,

где матрица записывается из тех же соображений дополнительных линейно независимых параметров на правом крае, а вектор неизвестен.

Для правого края тоже справедлива соответствующая система уравнений:

.

Запишем и подставим в последнюю систему линейных алгебраических уравнений:

,

,

,

.

Запишем вектор через обратную матрицу:

и подставим в предыдущую формулу:

Таким образом, мы получили систему уравнений вида:

,

где матрица известна, векторыиизвестны, а векторыи неизвестны.

Разобьем матрицу на естественные для нашего случая 4 блока и получим:

,

откуда можем записать, что

Следовательно, искомый вектор вычисляется по формуле:

А искомый вектор вычисляется через вектор:

,

.