- •Глава 1. Численные методы математической физики
- •1.1. Основные понятия
- •1.1.1. Классификация дифференциальных уравнений в частных производных
- •1.1.2. Аппроксимация частных производных
- •1.1.3. Метод сеток
- •1.2. Решение смешанной задачи для уравнения теплопроводности методом сеток
- •1.2.1. Постановка задачи
- •1.2.2. Явная разностная схема. Проблема устойчивости
- •1.3. Решение смешанной задачи для волнового уравнения методом сеток
- •1.3.1. Постановка задачи. Алгоритм метода
- •1.2.3. Вычислительная схема (алгоритм) решения явной разностной схемы
- •1.3.2. Вычислительная схема решения задачи
- •1.4. Решение уравнения лапласа методом сеток
- •1.4.1. Построение разностной схемы
- •1.4.2 Принцип максимума. Оценка погрешностей и сходимость решений разностных уравнений
- •1.4.3. Решение эллиптической разностной схемы
- •1.4.4. Алгоритм численного решения задачи Дирихле для уравнения Лапласа итерационным методом Гаусса-Зейделя
1.3.2. Вычислительная схема решения задачи
1. Выбираем шаг сетки h по оси х и шаг τ по оси t, с учетом τ<h (предполагается, что все величины задачи измеряются в совместимых единицах).
2. Присваиваем λ=аτ/h, m=T/τ, n=L/h.
3. Вычисляем по формуле (1.29) значение решения на нулевом слое (k = 0):
![]()
4. Вычисляем по формуле (1.31) значение решения на первом слое (k=1):
![]()
5. Из граничных условий находим значения функции u(x,t) в граничных узлах:
![]()
6. Находим решение на (k+1)-м слое, исходя из значений на k-м и (k-1)-м слоях по формуле (1.28):
![]()
(по «k» – внешний цикл, по «i» – внутренний цикл).
1.4. Решение уравнения лапласа методом сеток
1.4.1. Построение разностной схемы
Рассмотрим численные методы решения, которые применимы к уравнениям эллиптического типа. Однако, чтобы не загромождать изложение, ограничим детальное обсуждение случаем двумерного уравнения Лапласа в прямоугольной области.
Поставим следующую задачу. Найти непрерывную функцию u(x,y), удовлетворяющую внутри прямоугольной области D = {(x,y) | 0 ≤ х ≤ а, 0 ≤ у ≤ b} уравнению Лапласа
(1.34)
(1.35)
и принимающую на границе области D следующие значения:
![]()
где f1, f2, f3, f4 – заданные функции, удовлетворяющие условию непрерывности и(х, у) на границе области D, т. е.
![]()
Так, поставленная задача называется задачей Дирихле или первой краевой задачей для уравнения Лапласа (1.34). Предположим, что и(х,у) имеет непрерывные производные по х и у до 4-го порядка включительно.
Заменим область D сеточной областью. Для этого, выбрав шаги h и l по х и у соответственно, строим сетку
![]()
где n = а/h, m = b/l, хn = nh = а, ут = ml = b.
Введем обозначения иi,k = u(xi, yk). Заменим во внутренних узлах сетки производные в (1.34) разностными отношениями второго порядка:
![]()
![]()
Подставляя эти соотношения в (1.34), отбросив погрешность аппроксимации производных, получим разностные уравнения для неизвестных иi,k:
(1.36)
![]()
Погрешность замены дифференциального уравнения (1.34) разностным (1.36) составляет величину O(h2 + l2).
Если теперь обозначить λ= l/h, то разностные уравнения (1.36) можно переписать в виде:
(1.37)
для
![]()
Уравнение (1.37) можно представить схематически, начертив пять узлов и обозначив около каждого из них соответствующий коэффициент. В результате получим пятиточечный трехслойный шаблон (Рис. 1.3), геометрически иллюстрирующий разностную аппроксимацию дифференциального уравнения.

Рис. 1.3
Заметим, что переменные u0,k, un,k (k = 0, т) ui,0, иi,n (i = 0, n), соответствующие точкам сетки, лежащим на сторонах квадрата области D, определяются из граничных условий (1.35):
![]()
(1.38)
Система уравнений (1.37) – (1.38) – это разностная схема непрерывной задачи (1.34) – (1.35). Решения иi,k этой разностной схемы есть приближения к точному решению и(хi, уk) в узлах (xi, yk).
1.4.2 Принцип максимума. Оценка погрешностей и сходимость решений разностных уравнений
Важным фактом разностных уравнений (1.37) является теорема, которая называется принципом максимума.
Теорема (принцип максимума).
Каждое решение разностного уравнения (1.37) принимает свое наибольшее и наименьшее значение в некоторых точках границы области D.
Доказательство этой теоремы дано в книгах. В силу принципа максимума для значений искомой функции должны быть выполнены неравенства
M ≤ ui,k ≤ M,
г
(1.39)
![]()
Оценка погрешности (1.39) справедлива, если точное решение четырежды непрерывно дифференцируемо в области D. Для области с угловыми точками, например, прямоугольника, вообще говоря, u(х, у) не удовлетворяет этим условиям. Однако, если граничные функции, т. е. функции f1(y), f2(y), f3(x), f4(x) удовлетворяют в углах специальным условиям согласования, то оценка (1.39) является верной.
Для прямоугольной области D={0 ≤ x ≤ a, 0 ≤ y ≤ b} такими условиями согласования могут быть:
1) достаточная гладкость функций f1(y), f2(y), f3(x), f4(x);
2) эти функции должны удовлетворять в углах прямоугольника дифференциальному уравнению.
Например, функция φ(х, y)=x2+y2 удовлетворяет условиям согласования для уравнения
![]()
в углах D.
Оценка погрешности (1.39) имеет в основном теоретическое значение, поскольку ее практически трудно определить. Поэтому в реальных расчетах используется правило Рунге оценки погрешности, аналогичное тому, которое применяется в численном интегрировании и решении обыкновенных дифференциальных уравнений. Проводятся два варианта расчета: ui,k(h) с шагом h и ui,k(h/2) с шагом h/2. Тогда погрешность имеет вид
![]()
и главная часть погрешности определяется на совпадающих узлах.
