- •4.1 Постановка задачі 15
- •5.1 Різницева схема 21
- •1 Задача коші для лінійного рівняння з частинними похідними першого порядку
- •1.1 Постановка задачі
- •1.3 Різницева схема
- •1.4 Обчислювальний алгоритм
- •2 Апроксимація, стійкість, збіжність
- •4 Мішана задача для рівняння теплопровідності
- •4.1 Постановка задачі
- •3 Збіжність розв’язку різницевої схеми до розв’язку задачі коші для лінійного рівняння з частинними похідними першого порядку
- •3.1 Апроксимація
- •4.2 Сітки й норми
- •4.3 Різницева схема
- •4.4 Обчислювальний алгоритм
- •4.5 Апроксимація
- •5 Хвильове рівняння
- •5.1 Різницева схема
- •6 Деякі числові методи розв’язання інтегральних рівнянь
- •6.1 Основні означення та деякі результати теорії
- •6.2 Метод послідовних наближень
- •6.3 Метод квадратур
- •7 Завдання для самостійної роботи студентів
- •7.1 Завдання 1
- •7.2 Завдання 2.
- •7.3 Завдання 3.
- •7.4 Завдання 4.
- •7.5 Вимоги до звіту з самостійної роботи
- •Література
5 Хвильове рівняння
Розглянемо мішану задачу для хвильового рівняння
,
(58)
,
(59)
,
,
, (60)
де
,
,
– задані
достатньо гладкі функції, що задовольняють
умовам
.
Будемо припускати, що задача (58)-(60) має єдиний розв’язок .
,
де
- замкнений
прямокутник.
5.1 Різницева схема
Використовуємо
сітку, що побудована на замкненому
прямокутнику
в попередній
задачі, зберігаємо попередні позначення
для сіткових функцій. В рівнянні (58)
замінимо частинну похідну
наближено другою
різницевою похідною в напрямку t,
а частинну
похідну
апроксимуємо
різницевим оператором
,
що означений рівністю (42).
Для наближених значень розв’язку одержуємо різницеві рівняння
(61)
Шаблон різницевого рівняння (61) має вигляд
Це
рівняння можна розв’язувати
явно відносно
.
Але для того, щоб
обчислювати значення різницевого
розв’язку
на
-му
шарі, треба мати значення розв’язків
на попередніх двох шарах. Ясно, що для
організації процедури послідовного
відшукання розв’язків на шарах, починаючи
з 3-го, треба мати спочатку розв’язки,
що відповідають
і
,
тобто на перших двох шарах.
Для цього будемо використовувати початкові умови (59). З першої початкової умови (59) задамо
(62)
На другому шарі задамо
(63)
Доцільність
такого визначення
можна пояснити наступним чином. Права
частина (63) апроксимує многочлен з
розкладу Маклорена
Оскільки
згідно (59)
а з рівняння (58) для частинних похідних
розв’язку
задачі (58)-(60) виходить
Для
апроксимації
використовується
оператор
(дивись (42)).
Згідно крайовим умовам (60) маємо
(64)
Тепер різницева схема (61) - (64) повністю означена. Ця схема явна тришарова.
5.2 Стійкість і збіжність
Можна
довести, що вона умовно стійка в деяких
нормах. Можна довести, що коли
та
,
то розв’язок
різницевої схеми (61) – (64) збігається до
розв’язку
диференціальної задачі (58) – (60) та має
місце
(65)
де
Тобто різницева схема (61) – (64) має другий порядок точності по h та по .
6 Деякі числові методи розв’язання інтегральних рівнянь
6.1 Основні означення та деякі результати теорії
Під інтегральними рівняннями розуміються такі, що містять невідому (шукану) функцію під знаком визначеного інтегралу. В загальному випадку такі рівняння можна представити у вигляді
,
де
– шукана функція, а
,
або
.
Ми будемо розглядати лише лінійні рівняння, тобто такі, в які невідома функція входить у першій степені (лінійно).
Рівняння вигляду
, (66)
де
– числовий параметр, має назву
інтегрального
рівняння Фредгольма1
другого роду.
Функція
називається
ядром.
Функції
,
- відомі.
Рівняння
(67)
називається інтегральним рівнянням Фредгольма першого роду.
Якщо
в (66)
на
,
то одержуємо однорідне
рівняння
=
. (68)
Параметр в (66) – (68) уводиться з наступних міркувань. Справа в тому, що не для кожного рівняння (66) має розв’язок. Але відповідним варіюванням можна добитися того, щоб розв’язок рівняння (66) існував.
Ті
значення
,
за яких однорідне рівняння має
нетривіальний розв’язок (
)
, називаються власними
значеннями
ядра
,
а відповідні ненульові розв’язки (68) –
власними
функціями
рівняння. З теорії інтегральних рівнянь
відомо [4]:
1) якщо не є власним значенням ядра , то неоднорідне інтегральне рівняння Фредгольма (66) з регулярним ядром та неперервною функцією має єдиний неперервний розв’язок на ;
2) якщо ж є власним значенням, то рівняння (66) або не має розв’язків, або має нескінчену множину розв’язків.
В подальшому будемо припускати, що не є власним значенням.
В різних задачах доводиться мати справу з так званими інтегральними рівняннями Вольтерра2:
1) першого роду
,
; (69)
2) другого роду
,
. (70)
Якщо увести функцію
то
рівняння Вольтерра зводяться до рівнянь
Фредгольма з ядром
.
Але, як часто це буває в частинних
випадках, має сенс вивчати їх окремо.
Якщо
ядро
та
– неперервно диференційовні функції
та
при
,
то рівняння Вольтерра першого роду (69)
зводиться до рівняння Вольтерра другого
роду (70). Дійсно, беручи похідну по
від лівої та правої частини (69) та згадавши
правило диференціювання інтегралу,
підінтегральна функція і верхня межа
залежать від параметру, одержуємо
,
звідки
,
де
,
.
До інтегральних рівнянь зводяться багато задач математичної фізики, теорії ймовірностей, теорії диференціальних рівнянь тощо.
Деякі класи інтегральних рівнянь допускають розв’язання (точне) в явному скінченому вигляді. Прикладом може слугувати рівняння Абеля
,
,
де
– відома неперервно диференційована
функція,
.
Розв’язок цього рівняння має вигляд
Можна навести ще багато таких прикладів. Але в загальному випадку треба використовувати наближені методи розв’язання. Ми розглянемо тільки два найпростіших.
