- •Численные методы
- •Часть 3
- •Содержание
- •Введение
- •Классификация методов взвешенных невязок
- •Метод наименьших квадратов
- •Частные случаи метода взвешенных невязок
- •Метод моментов
- •Метод коллокаций
- •Метод подобластей
- •Метод конечных разностей
- •Расширение понятия функции
- •Пространство основных функций
- •Обобщенные функции
- •Дифференцирование обобщенных функций
- •Сходимость метода взвешенных невязок Основные понятия и определения
- •Обобщенное решение дифференциального уравнения
- •Сходимость метода конечных элементов
- •Контрольные вопросы и задания
- •Аппроксимация функций
- •Функции одной переменной
- •Кусочно-постоянные функции
- •Кусочно-линейные функции
- •Функции высших степеней
- •Иерархические многочлены
- •Функции двух переменных Треугольные конечные элементы. Линейная аппроксимация
- •Квадратичная аппроксимация
- •Четырехугольные конечные элементы
- •Функции трех переменных
- •Контрольные вопросы и задания
- •Задачи теплопроводности
- •Уравнение стационарной теплопроводности
- •Аппроксимация решения кусочно-линейными функциями
- •Процедура ансамблирования конечных элементов
- •Аппроксимация решения кусочно-квадратичными функциями
- •Использование иерархических многочленов
- •Уравнение нестационарной теплопроводности
- •Контрольные вопросы и задания
- •ЗадачИ механики деформируемого твердого тела Постановка задачи
- •Разрешающие соотношения метода взвешенных невязок Уравнение равновесия
- •Физические уравнения
- •Геометрические уравнения
- •Ансамблирование конечных элементов
- •Плоско-деформированное состояние
- •4 Узел 3 узел 3 узел
- •1 Элемент
- •2 Элемент
- •Плоско-напряженное состояние
- •Осесимметричное напряженно-деформированное состояние
- •Решение задач упругопластичности
- •Метод переменных параметров упругости
- •Метод дополнительных нагрузок
- •Контрольные вопросы и задания
- •ЗадачИ механики жидкости
- •Уравнения движения в переменных «функция тока – вихрь скорости»
- •Граничные условия
- •Граничные условия для функции тока
- •Граничные условия для функции завихренности
- •Соотношения метода взвешенных невязок
- •Разрешающие соотношения для функции тока
- •Разрешающие соотношения для функции завихренности
- •Разрешающие соотношения для поля давления
- •Алгоритм решения задачи
- •Контрольные вопросы и задания
- •Метод граничных элементов
- •Фундаментальное решение
- •Построение фундаментального решения
- •Контрольные вопросы и задания
- •Предметный указатель
- •Библиографический список
- •Приложение Бояршинов Михаил Геннадьевич Численные методы
- •Часть 3
Обобщенное решение дифференциального уравнения
Рассматривается уравнение
, (1.19)
где A –
линейный оператор, действующий из
плотной в вещественном гильбертовом
пространстве X
области определения D(A)
в то же самое пространство
X. Скалярное
произведение в X
обозначается через (x,
y),
а соответствующая ему норма – через
.
H – еще
одно гильбертово пространство со
скалярным произведением [x,
y] и
нормой
,
соответствующей этому скалярному
произведению. Пусть выполнены следующие
условия.
-
H вложено в X,
,
причем в H +
H
определен билинейный ограниченный
функционал a(x,
y),
то есть вещественнозначная функция,
линейная по u
при фиксированном v,
линейная по v
при фиксированном u,
такая, что
,
(1.20)
при этом
и
![]()
. (1.21)
-
Найдется постоянная
такая, что
выполняется
неравенство
. (1.22)
Оператор, удовлетворяющий условиям I и
II, называется H-эллиптическим.
– обобщенное решение уравнения ( 1 .19)
с H-эллиптическим
оператором A, если
имеет место тождество
. (1.23)
Для доказательства существования и
единственности обобщенного решения
уравнения ( 1 .19) используется метод
Галеркина. В H
выбирается координатная система
.
Пусть Pm
– проектор H
на линейное подпространство Hm,
натянутое на первые m
векторов этой системы. Элемент
называется галеркинским приближением
обобщенного решения уравнения ( 1 .19),
если
имеет место тождество
. (1.24)
Лемма 1.1. Решение задачи ( 1 .24) имеет вид
, (1.25)
где коэффициенты
определяются решением системы m
линейных уравнений с m
неизвестными,
. (1.26)
Доказательство. Элемент xm принадлежит Hm и, значит, имеет вид ( 1 .25). При подстановке в ( 1 .24) представления ( 1 .25) и выражения
, (1.27)
в силу билинейности a(u, v) и линейности скалярного произведения получается
. (1.28)
Но
произвольно, то есть
в ( 1 .27) и ( 1 .28) – произвольные постоянные.
Следовательно, ( 1 .24) и ( 1 .28) эквивалентны,
что и доказывает лемму.
Лемма 1.2. Пусть оператор A является H-эллиптичным. Тогда для всякого m существует единственное галеркинское приближение xm обобщенного решения уравнения ( 1 .19).
Доказательство. Воспользуемся условием
II. Если
,
то это верно и при
.
Но тогда, в соответствии с ( 1 .22),
,
откуда следует, что xm = 0. Поскольку однородная задача, получающаяся из ( 1 .24) при y = 0, имеет лишь тривиальное решение, то задача ( 1 .26), а вместе с ней и ( 1 .24) будут однозначно разрешимы.
Лемма 1.3. Если
слабо в H, а
сильно в H, то
.
Вследствие билинейности
. (1.29)
Так как последовательность
сходится слабо, то, согласно [18],
она ограничена. Поэтому из неравенства
( 1 .20) следует
.
Поскольку v0
фиксировано,
выражение
определяет в H
линейный ограниченный функционал.
Но тогда, по теореме Рисса,
найдется
такой, что
.
Согласно определению слабой сходимости
к u0,
имеет место
.
В ( 1 .29) оба слагаемых в правой части равенства стремятся к нулю, что и доказывает утверждение леммы.
Теорема 1.1. Пусть пространство H сепарабельно и оператор A является H-эллиптичным, тогда
-
для всякого m галеркинское приближение xm обобщенного решения уравнения ( 1 .19) существует и единственно;
-
обобщенное решение уравнения ( 1 .19) существует и единственно;
-
слабо; при этом справедлива оценка
. (1.30)
Доказательство. Утверждение 1) теоремы
верно в силу леммы 1.2. Для доказательства
утверждения 2) используется сепарабельность
пространства H. Пусть,
как и ранее,
– ортонормированный базис в H.
,
то есть ряд Фурье, составленный для
элемента v, сходится
к v. Рассматривается
последовательность галеркинских
приближений
.
Полагая в ( 1 .24)
и пользуясь неравенством ( 1 .22), можно
получить
.
Но H вложено
в X, и поскольку
,
то найдется постоянная k
> 0 такая, что
при m = 1, 2,
…
Следовательно,
,
откуда
.
Значит, последовательность галеркинских
приближений
ограничена в H, и
тогда она слабо компактна. Пусть
– ее подпоследовательность,
сходящаяся в H слабо
к некоторому элементу
.
Фиксируя произвольный элемент
,
в соответствии с ( 1 .24), получаем, что
.
При этом
сильно, а
слабо. По лемме 1.3 и свойству непрерывности
скалярного произведения имеет место
.
Из произвольности
следует, что x0
– обобщенное решение уравнения ( 1 .19).
Пусть
– два обобщенных решения. Для произвольного
![]()
.
Вычитание второго тождества из первого
дает выражение
.
Полагая
и используя ( 1 .22), находим
,
и, следовательно,
.
Полагая в ( 1 .23)
и вычитая его из ( 1 .24), получаем
.
В частности,
.
Но тогда по условию II
![]()
.
Отсюда следует оценка ( 1 .30).
