- •Введение
- •I. Методические указания к ответам на теоретические вопросы
- •§1. Этапы научного исследования. Роль и место вычислительного эксперимента и численных методов
- •§2. Основные понятия теории погрешностей. Общая формула вычисления погрешности
- •§3. Метод Ньютона решения алгебраических и трансцендентных уравнений
- •§4. Решение систем линейных алгебраических уравнений.
- •§5. Метод Гаусса решения систем линейных алгебраических уравнений и его модификации
- •§6. Метод простой итерации решения систем линейных алгебраических уравнений
- •§7. Алгебраическое интерполирование. Исследование существования и единственности интерполяционного полинома
- •§8. Интерполяционный полином Лагранжа.
- •§9. Численное интерполирование. Полином Ньютона
- •§10. Численное интегрирование. Формулы Ньютона-Котеса. Оценка погрешности квадратурных формул
- •§11. Классификация и общая характеристика методов решения дифференциальных уравнений. Хорошо и плохо обусловленные задачи
- •§12. Метод Эйлера. Алгоритм и оценка погрешности
- •§13. Метод Рунге-Кутта. Алгоритм и оценка погрешности
- •§14. Численные методы решения краевых задач для обыкновенных дифференциальных уравнений
- •§15. Идея метода сеток решения уравнений в частных производных
- •§16. Аппроксимация дифференциального уравнения разностным и ее порядок. Устойчивость. Сходимость
- •§17. Метод сеток решения краевых задач для дифференциальных уравнений эллиптического типа
- •II. Методические указания к решению задач
- •Список рекомендуемой литературы
§16. Аппроксимация дифференциального уравнения разностным и ее порядок. Устойчивость. Сходимость
При изложении ответа на этот вопрос следует дать постановку краевой задачи, привести разностную схему, дать определения невязки, аппроксимации и ее порядка, устойчивости, сходимости, сформулировать и доказать теорему о сходимости разностной схемы.
Пусть
имеется область
с границей Γ и поставлена корректная
задача для некоторого дифференциального
уравнения с граничными условиями
(46)
(47)
Введем
в области
сетку с шагом h,
состоящую из множества внутренних узлов
и множества граничных узлов
.
Во внутренних узлах заменим уравнение
(46) разностной схемой
(48)
а в граничных узлах – разностным аналогом краевых условий (47)
(49)
Индексом h обозначены величины, определенные только на сетке, Ah и Rh – сеточные операторы. Близость разностной схемы (48)-(49) к исходной задаче (46)-(47) будем определять по величине невязки
Определение
1. Говорят,
что разностная схема (48)-(49) аппроксимирует
задачу
(46)-(47), если
,
при
;
аппроксимация
имеет p-й
порядок,
если
,
.
Если
искомая функция является функцией
многих переменных, требуют стремления
к нулю шагов по всем переменным. Порядок
аппроксимации при этом может оказаться
различным по разным переменным. Например,
для двух переменных t
(время) и x
(пространство), шаги сетки соответственно
равны τ и h,
соотношение
при
означает p-й
порядок аппроксимации по времени и q-й
по пространству.
Определение 2. Разностная схема (48)-(49) устойчива, если решение системы разностных уравнений непрерывно зависит от входных данных φ, χ и эта зависимость равномерна относительно шага сетки.
Иными
словами, схема устойчива, если для
каждого ε>0 найдется такое δ(ε), не
зависящее от h,
что
при
и
.
Здесь
- решение задачи (48)-(49) с исходными данными
,
а
- решение задачи (48)-(49) с исходными данными
.
Если
разностная схема линейна, то разностное
решение линейно зависит от входных
данных. В этом случае
,
где K
– константа, не зависящая от h,
и для линейных схем определение
устойчивости принимает вид
,
где M1
и M2
– константы, не зависящие от h.
Непрерывную
зависимость решения от функции φ называют
устойчивостью
по правой части,
а от функции χ – устойчивостью
по граничным условиям.
Устойчивость по граничному условию на
гиперплоскости
называют устойчивостью
по начальным данным.
Определение
3. Говорят,
что разностное решение
сходится к решению
задачи (46)-(47), если
при
.
Разностное решение имеет порядок
точности p,
если
при
.
Определение 4. Говорят, что разностная схема (48)-(49) корректна, если ее решение существует и единственно при любых входных данных φ, χ, принадлежащих заданным классам функций, и схема устойчива.
Теорема.
Если решение
задачи (46)-(47) существует, разностная
схема (48)-(49) корректна и аппроксимирует
задачу (46)-(47) на данном решении, то
разностное решение сходится к точному.
Эту теорему кратко формулируют так: Из аппроксимации и устойчивости следует сходимость.
