W tym rozdziale przedstawimy ogólną teorię zbieżności schematów różnicowych, a następnie pokażemy m.in. zastosowanie tej teorii do przykładów z poprzedniego wykładu.
Osoby zainteresowane obszerniejszym przedstawieniem teorii różnic dzielonych odsyłamy do monografii [27].
W tym podrozdziale opiszemy ogólną teorię zbieżności schematów różnicowych. Ograniczymy się do szczegółowego omówienia przypadku schematów liniowych, tzn. aproksymacji równań różniczkowych liniowych.
Teoria ta potrzebna jest zarówno do badania zbieżności schematów różnicowych dla równań eliptycznych, jak i dla schematów dla innych typów równań, np. równań parabolicznych.
Załóżmy, że rozpatrujemy następujące zadanie różniczkowe:
chcemy znaleźć
(8.1) | |||||
(8.2) |
gdzie
Będziemy zakładać, że powyższe zadanie jest poprawnie postawione, tzn. że
ma jednoznaczne rozwiązanie
dla
dla
(8.3) | |||||
(8.4) |
Zdefiniujmy
Zakładamy, że istnieje rodzina siatek
W praktyce najczęściej stosuje się siatki równomierne, tzn. podzbiory
Siatkę
Rodzina siatek
Proszę zauważyć, że rodzina siatek zdefiniowana w Rozdziale 7.1 jest w sposób oczywisty gęsta dla
Wprowadzamy teraz rodzinę zadań przybliżonych (schematów różnicowych), które dają się zapisać w następujący sposób:
chcemy
znaleźć funkcję
czy inaczej - operatorowo
(8.5) | |||||
(8.6) |
Zakładamy, że
Zazwyczaj wszystkie rozpatrywane przestrzenie są zupełne, tzn. są przestrzeniami Banacha. W przypadku gdy
Proszę zauważyć, że rozpatrujemy rodzinę zadań przybliżonych, parametryzowanych przez
Operator obcięcia pozwala porównywać rozwiązania w normie przestrzeni dyskretnej, ale
możemy porównywać je również w normie przestrzeni
Można wprowadzić pojęcie zbieżności aproksymacji przestrzeni. Tzn.
rodzinę trójek
W teorii zbieżności metod różnicowych najczęściej nie stosuje się operatorów przedłużenia, a za to wprowadza się warunek zgodności norm:
Jeżeli dla danej przestrzeni unormowanej
to mówimy, że normy dyskretne
Od tej pory będziemy zakładali zgodność norm dyskretnych z normą w
Zadanie przybliżone (zadanie dyskretne, schemat różnicowy) (8.5)-(8.6) jest zbieżne (czasami używa się terminu zbieżne dyskretnie) jeśli
gdzie
Jeśli dodatkowo zachodzi
to mówimy o zbieżności (dyskretnej) rzędu
Wielkość
Kolejnym krokiem jest wprowadzenie pojęcia aproksymacji zadania ciągłego (wyjściowego zadania różniczkowego) przez zadanie dyskretne.
Mówimy, że zadanie przybliżone (8.5)-(8.6) aproksymuje zadanie (8.3)-(8.4), jeśli lokalne błędy aproksymacji zdefiniowane jako
dążą do zera dla
to mówimy, że schemat aproksymuje (8.3)-(8.4) z rzędem
Drugim ważnym pojęciem jest stabilność zadania dyskretnego. Tu podamy definicje stabilności dla schematu liniowego:
Liniowe zadanie przybliżone (8.5)-(8.6) jest stabilne (poprawnie postawione), jeśli istnieje stała
rozwiązanie to spełnia następującą nierówność:
gdzie
W literaturze czasami za stabilność zadania przybliżonego przyjmuje się tylko warunek (2) z definicji 8.5.
Proszę zauważyć, że stabilność zadania przybliżonego jest samoistną cechą związaną tylko z definicją samego zadania dyskretnego- ona nie zależy w żaden sposób od rozwiązania równania różniczkowego.
Dodatkowo warto też zauważyć, że jeśli
Sformułujemy teraz następujące twierdzenie o zbieżności zadania przybliżonego:
Jeśli liniowe zadanie przybliżone (8.5)-(8.6) jest stabilne oraz aproksymuje
zadanie (8.3)-(8.4), którego rozwiązaniem jest
Tutaj
Z powyższego twierdzenia otrzymujemy od razu następujący wniosek:
Jeśli zadanie przybliżone (8.5)-(8.6) jest stabilne oraz aproksymuje
zadanie (8.3)-(8.4) z rzędem
Oznaczmy
zatem z definicji stabilności zadania przybliżonego otrzymujemy następujące oszacowanie:
Następnie z faktu aproksymacji zadania (8.3)-(8.4) przez zadanie przybliżone (8.5)-(8.6) otrzymujemy ostatecznie oszacowanie:
Powyższe twierdzenie można krótko podsumować, że aby otrzymać schemat zbieżny z rzędem
Proszę zauważyć, że twierdzenie jest bardzo ogólne, a dowód jest prosty. Pojawia się pytanie: jak dobrać odpowiednie przestrzenie i operatory, aby zadania przybliżone (schematy) były stabilne i miały możliwie wysoki rząd aproksymacji.
Proszę zauważyć, że powyższa teoria zbieżności może zostać zastosowana do zadań różniczkowych rożnego typu - zarówno eliptycznych, jak i parabolicznych, czy hiperbolicznych.
Wracamy teraz do dyskretyzacji modelowego zadania jednowymiarowego (7.5)-(7.6).
Za przestrzeń
dla
(8.7) | |||||
dla
W tym przypadku dla funkcji ciągłej przekształceniem obcięcia (ang. restriction) jest
Możemy teraz zbadać zbieżność błędu dyskretnego:
dla
co oznacza jednostajną ograniczoności operatorów obcięcia.
Można też w tym przypadku łatwo wprowadzić operator przedłużenia (ang. prolongation)
Następnie możemy badać zbieżność błędu
Zauważmy, że w naszym przypadku dodatkowo zachodzi
(8.8) |
czyli zbieżność aproksymacji przestrzeni wyjściowej przez przestrzeń dyskretną oraz
(8.9) |
czyli zachodzi zgodność rodziny norm przestrzeni dyskretnych
Innym wyborem przestrzeni i norm jest badanie zbieżności i błędu w normie
gdzie
Aby otrzymać zgodność norm powinniśmy inaczej zdefiniować obcięcia np. poprzez uśrednienia,
czyli
dla
Inna możliwość to rozważenie zbioru funkcji ciągłych
Nietrudno zauważyć, że problem przybliżony aproksymuje problem wyjściowy z rzędem dwa, o ile rozwiązanie należy do
Rozpatrzmy ponownie modelowe zadanie dwuwymiarowe na kwadracie jednostkowym (7.8).
Analogicznie, jak w przypadku jednowymiarowym, niech
Operator siatkowy (ang. mesh operator or discrete operator)
dla
(8.10) |
dla funkcji prawej strony
Tak samo jak w przypadku jednowymiarowym badamy błąd:
Tu
Można pokazać, że zachodzi zgodność norm dyskretnych z odpowiednimi normami, oraz że schemat (7.11) posiada rząd aproksymacji dwa i jest stabilny w obu normach dyskretnych. Wykazanie rzędu aproksymacji jest prostym zadaniem, natomiast pokazanie stabilności jest trudniejsze, por. rozdziały 9 i rozdział 10.
Zbadaj rząd lokalnych błędów aproksymacji schematu (8.7) dyskretyzacji modelowego problemu jednowymiarowego w obu normach dyskretnych.
Wykaż, że rząd aproksymacji schematu (7.11) w dyskretnych normach maksimum i
Zbadaj rząd lokalnych błędów aproksymacji schematu (8.10) dyskretyzacji modelowego problemu dwuwymiarowego w obu normach dyskretnych.
(Przybliżony warunek brzegowy) Rozpatrzmy modelowe zadanie jednowymiarowe z warunkiem brzegowym Dirichleta:
dla
Rozpatrzmy następującą dyskretyzację zbudowaną na siatce
i
Wystarczy zbadać błąd operatora brzegowego w punkcie
Rozważmy modelowe zadanie, jak i siatkę niezawierającą prawy koniec obszaru, tak jak w poprzednim ćwiczeniu.
Operatory
Rozpatrzmy tzw. aproksymację Collatza, tzn. niech wartość
gdzie
Zbadaj lokalny błąd aproksymacji tego schematu w normach dyskretnych maksimum i
Rozpatrzmy zadanie z poprzedniego ćwiczenia, ale z siatką nierównomierną:
gdzie
i
Wyznacz
Rozpatrzmy zadanie jednowymiarowe
oraz
Zbadaj rząd lokalnego błędu aproksymacji tego schematu względem parametru siatki
Rozpatrzmy zadanie jednowymiarowe
natomiast na brzegu podnosimy rząd schematu, a dokładniej zakładamy, że równanie jest spełnione w punktach brzegu, tzn.
funkcja
o ile
przybliżające warunek Neumanna w punkcie
Skonstruuj analogiczne równanie różnicowe przybliżające warunek Neumanna w punkcie
Rozpatrzmy modelowe zadanie dwuwymiarowe na kole o średnicy jeden tzn. (7.8) dla
Za
Tu warunek brzegowy możemy zadać dokładnie. Pojawia się pytanie: jak przybliżyć drugą pochodną w punktach wewnętrznych siatki, których punkty sąsiednie są na brzegu?
Definiujemy w takim punkcie
dla pewnych parametrów
Jeśli
Zadanie: Wyznacz odpowiednie parametry
Treść automatycznie generowana z plików źródłowych LaTeXa za pomocą oprogramowania wykorzystującego LaTeXML.
strona główna | webmaster | o portalu | pomoc
© Wydział Matematyki, Informatyki i Mechaniki UW, 2009-2010. Niniejsze materiały są udostępnione bezpłatnie na licencji Creative Commons Uznanie autorstwa-Użycie niekomercyjne-Bez utworów zależnych 3.0 Polska.
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.
Projekt współfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego i przez Uniwersytet Warszawski.