- •1. Дифференциальные уравнения в частных производных
- •1.1 Определение дифференциальных уравнений в частных производных параболического типа
- •1.2 Приведение уравнения второго порядка параболического типа к каноническому виду
- •1.3 Постановки задач для уравнений параболического типа
- •2. Численное решение дифференциальных уравнений
- •2.1 Основные определения и конечно-разностные схемы для дифференциальных уравнений параболического типа
- •2.1.1 Основные определения. Принцип построения разностных схем
- •2.1.2 Аппроксимация и сходимость разностных схем
- •2.1.3 Исследование устойчивости конечно-разностных схем
- •2.2 Конечно-разностный метод решения задач для уравнений параболического типа
- •2.2.1 Однородные и консервативные конечно-разностные схемы для задач теплопроводности с граничными условиями, содержащими производные
- •2.2.2 Неявно-явная конечно-разностная схема с весами. Схема Кранка-Николсона
- •2.2.3 Метод дробных шагов н.Н. Яненко
- •2.2.4 Метод переменных направлений с экстраполяцией в. Ф. Формалева
- •2.3 Численное решение определенных задач
2.2.3 Метод дробных шагов н.Н. Яненко
В отличие от МПН, метод дробных шагов (МДШ) использует только неявные конечно-разностные операторы, что делает его абсолютно устойчивым в задачах, не содержащих смешанных производных. Он обладает довольно значительным запасом устойчивости (сохранение устойчивости при числах Куранта, значительно превышающих единицу) и в задачах со смешанными производными.
Схема МДШ имеет вид
,
(2.77)
.
(2.78)
С
помощью чисто неявной подсхемы (2.77)
осуществляются скалярные прогонки в
направлении оси х в количестве, равном
J-1, в результате чего получаем сеточную
функцию
.
На втором дробном шаге по времени с
помощью подсхемы (2.78) осуществляются
скалярные прогонки в направлении оси
у в количестве, равном I-1, в результате
чего получаем сеточную функцию
.
Шаблон схемы МДШ приведен на рис. 2.5. Для
определения порядка аппроксимации
схемы МДШ запишем ее в следующей
операторной форме:
,
,
,
,

Рис. 2.5 - Шаблон схемы метода дробных шагов
Исключая
здесь сеточную функцию на промежуточном
временном слое
,
получим двухслойную схему
,
откуда получаем порядок аппроксимации
по времени:
,
.
(2.79)
Из
(2.79) видно, что схема МДШ (2.77), (2.78) имеет
порядок
,
т.е. первый порядок по времени и второй
- по переменным х и у.
Для
исследования устойчивости схемы МДШ
(2.77), (2.78) подставим в нее гармонику
,
получим
,
;
,
.
Тогда отношение амплитуд гармоник равно
,
т. е. схема метода дробных шагов абсолютно устойчива.
Достоинства схемы МДШ: 1) проста в алгоритмизации и программировании; 2) абсолютно устойчива с большим запасом устойчивости даже для задач, содержащих смешанные производные.
Недостатки: 1) на каждом дробном шаге достигается частичная аппроксимация, полная аппроксимация достигается на последнем дробном шаге; 2) имеет первый порядок точности по времени; 3) в задачах со смешанными производными для устойчивости МДШ на коэффициенты накладываются жесткие ограничения, при невыполнении которых схема становится условно устойчивой.
2.2.4 Метод переменных направлений с экстраполяцией в. Ф. Формалева
Как видно из изложенных выше конечно-разностных схем для многомерных задач математической физики, конечно-разностная схема может быть либо абсолютно устойчивой, но не экономичной (метод матричной прогонки), либо экономичной, но условно устойчивой, как схема МПН. Желание получить схемы экономичные и одновременно абсолютно устойчивые с большим запасом устойчивости приводит к необходимости использовать апостериорную информацию о сеточной функции, которая получается в процессе счета. К таким схемам относится схема метода переменных направлений с экстраполяцией (МПНЭ). Эта схема использует распределение сеточной функции в левом (от расчетного) пространственном сечении, уже полученное на верхнем временном слое, т. е. неявно. В правом пространственном сечении значения сеточной функции в первом приближении и с контролируемой точностью определяются линейной экстраполяцией по времени с нижних временных слоев на верхний. Затем эти значения уточняются с помощью скалярных прогонок.
Рассмотрим
задачу, в которой дифференциальное
уравнение
,
,
,
содержит смешанные производные (наличие
последних не обязательно):
,
,
,
.
(2.80)
На
сетке
аппроксимируем это дифференциальное
уравнение с помощью следующей схемы:

,
(2.81)

,
(2.82)
Здесь
значения сеточной функции
,
помеченные волнистой чертой, определяются
с помощью линейной экстраполяции:
,
,
,
.
Шаблон схемы МПНЭ представлен на рис. 2.6.

Рис. 2.6 - Шаблон схемы метода переменных направлений с экстраполяцией: а - подсхема (2.81); б - подсхема (2.82)
В
подсхеме (2.81) значения
,
,
являются искомыми, определяемыми из
скалярных прогонок в направлении
переменной х , значения
,
,
уже известны на верхнем полуслое из
прогонки вдоль координатной линии
,
а значения
,
,
с порядком
определяются экстраполяцией по
распределениям функции на двух предыдущих
временных полуслоях. При этом все
конечно-разностные операторы по
пространственным переменным, за
исключением оператора по переменной
х, переводятся в правые части (хотя они
и являются практически полностью
неявными).
В
подсхеме (2.82) значения
,
,
являются искомыми, определяемыми из
скалярных прогонок вдоль переменной
у, значения
,
,
известны как значения сеточной функции
в левом пространственном сечении, а
значения
,
,
с порядком
определяются экстраполяцией по двум
предыдущим временным полуслоям. При
этом все пространственные операторы,
за исключением оператора по переменной
у, переводятся в правые части, хотя они
практически являются полностью неявными.
Аппроксимация. Для анализа аппроксимационных свойств схемы (2.81), (2.82) прибавим и вычтем в подсхеме (2.81)
Выражения
,
,
получим эквивалентную схему
,
(2.83)
,
(2.84)
где
,
,
,
,
,
,
,
.
Справедлива следующая теорема.
Теорема
1. Пусть решение задачи (2.80), (.2)-(.6)
,
где
,
,
-
класс функций, т раз непрерывно
дифференцируемых по t и п раз - по х, у.
Тогда схема (2.81), (2.82) и, следовательно,
эквивалентная ей схема (2.83), (2.84)
аппроксимирует на точном решении
дифференциальную задачу (2.80) с порядком
,
где
.
Доказательство. Действительно,
рассматривая «осколочные» операторы
,
,
,
,
можно заметить, что выполняются следующие
тождества:
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
.
Тогда справедлива следующая цепочка равенств:



.
Таким образом,
.
(2.85)
Аналогично,
(2.86)



;
(2.87)
.
(2.88)
Подставляя выражения (2.85)-(2.88) для «осколочных» операторов в схему (2.83), (2.84) , получим
(2.89)
(2.90)
Исключение
сеточной функции
на промежуточном временном полуслое
приводит к следующей эквивалентной
двухслойной схеме:
(2.91)
где
,
.
Из
(2.91) следует аппроксимация с порядком
.
Теорема доказана.
Устойчивость. Будем исследовать устойчивость схемы (2.81), (2.82) методом энергетических неравенств.
Имеет место следующая теорема.
Теорема
2. Пусть выполнены условия
,
.
Тогда схема (2.81), (2.82) абсолютна устойчива
по начальным условиям.
Для доказательства этой теоремы докажем следующую лемму.
Лемма. Оператор

в эквивалентной схеме (2.91) является положительно определенным и самосопряженным.
Действительно, этот оператор можно переписать в виде
,
и
котором каждое слагаемое является
положительно определенным и самосопряженным
оператором, поскольку
- положительный, самосопряженный
оператор, действующий в гильбертовом
пространстве Н . Следовательно, оператор
С является положительно определенным,
самосопряженным оператором, что
доказывает лемму.
Таким образом, (2.91) можно переписать в виде
.
Умножая
это равенство скалярно на
и используя известные тождества
,
получим следующее энергетическое тождество:
,
(2.92)
при
выводе которого использована
положительность и самосопряженность
оператора
.
Вводя
энергетическое пространство
элементов
со скалярным произведением
и нормой
,
в силу положительности оператора
из (2.92) получаем энергетическое неравенство

откуда следует принцип максимума
,
являющийся достаточным признаком устойчивости конечно-разностной схемы (2.81), (2.82), что доказывает теорему.
Поскольку
не накладывалось никаких ограничений
на сеточные характеристики
,
схема (2.81), (2.82) является абсолютно
устойчивой.
По запасу устойчивости метод МПНЭ превосходит все существующие экономичные методы расщепления для задач как содержащих, так и не содержащих смешанные дифференциальные операторы.
К
достоинствам МПНЭ можно отнести
следующие: 1) экономичность; 2) абсолютную
устойчивость; 3) полную (не частичную,
как в МДШ) аппроксимацию дифференциального
уравнения; 4) применимость к задачам с
любой размерностью по пространственным
переменным и к задачам, содержащим
смешанные дифференциальные операторы;
5) отсутствие ограничений на величину
коэффициентов
,
кроме ограничений
.
