Zagadnienia

8. Teoria zbieżności schematów różnicowych

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].

8.1. Ogólna teoria zbieżności schematów różnicowych

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 u funkcję określoną na obszarze Ω¯ taką, że spełnia równanie różniczkowe z warunkami brzegowymi:

Lux=fxxΩ (8.1)
lkux=gkxxΓk,k=1,,s, (8.2)

gdzie f,gk - to dane funkcje, L - to operator różniczkowy liniowy, lk - to odpowiedni operator różniczkowy brzegowy liniowy określony na Γk dla ΓkΩ.

Będziemy zakładać, że powyższe zadanie jest poprawnie postawione, tzn. że ma jednoznaczne rozwiązanie uU dla U przestrzeni liniowej funkcji określonych na Ω¯ z normą U. Zakładamy też, że

L:UF

dla F przestrzeni funkcji określonych na Ω, a

lk:UΦkk=1,,s

dla Φk przestrzeni funkcji określonych na Γk. Wyjściowe zadanie różniczkowe możemy zapisać w postaci operatorowej jako: znaleźć uU takie, że

Lu=f (8.3)
lku=gkk=1,,s. (8.4)

Zdefiniujmy Ω¯h jako siatkę, tzn. zbiór punktów izolowanych, węzłów należących do Ω¯ z parametrem h.

Zakładamy, że istnieje rodzina siatek Ω¯hh, czyli rodzina zbiorów punktów izolowanych należących do Ω¯ indeksowanych parametrem h, należącym do pewnego zbioru ω0,h0R+ takim, że 0ω¯ (tzn. że istnieje podciąg siatek Ωhk taki, że hk0).

W praktyce najczęściej stosuje się siatki równomierne, tzn. podzbiory a+h*Zd dla ustalonego punktu aRd. Ewentualnie stosuje się siatki o jednolitych krokach w danym kierunku w Rd.

Siatkę Ω¯h przedstawiamy w postaci Ω¯h=ΩhΩh, gdzie Ωh będziemy nazywać zbiorem punktów siatkowych wewnętrznych (zazwyczaj zawartych w Ω), a Ωh - zbiorem punktów siatkowych brzegowych (zawartych albo leżących w pobliżu Ω). W zbiorze Ωh punktów brzegowych możemy dalej wyróżniać podzbiory Γk,h. Zakładamy, że rodzina siatek Ω¯hh jest gęsta w sensie następującej definicji:

Definicja 8.1

Rodzina siatek Ω¯hh jest gęsta (ang. dense) w Ω¯, gdy dla dowolnego ϵ>0 istnieje h1ω takie, że dla h<h1 i dowolnego xΩ¯ kula Kx,ϵ o środku w x i promieniu ϵ zawiera co najmniej jeden punkt yΩ¯h.

Proszę zauważyć, że rodzina siatek zdefiniowana w Rozdziale 7.1 jest w sposób oczywisty gęsta dla a,b.

Wprowadzamy teraz rodzinę zadań przybliżonych (schematów różnicowych), które dają się zapisać w następujący sposób: chcemy znaleźć funkcję uh określoną na Ω¯h taką, że

Lhuhx=fhxxΩh
lk,hux=gk,hxxΓk,h,k=1,,s,

czy inaczej - operatorowo

Lhuh=fh (8.5)
lk,hu=gk,hk=1,,s. (8.6)

Zakładamy, że Lh:UhFh i lk,h:UhΦk,h dla k=1,,s, gdzie:

  1. Uh jest przestrzenią liniową unormowaną funkcji określonych na Ω¯h z normą Uh,

  2. Fh jest przestrzenią liniową unormowaną funkcji określonych na Ωh z normą Fh,

  3. Φk,h jest przestrzenią liniową unormowaną funkcji określonych na Γk,h z normą Φk,h.

Zazwyczaj wszystkie rozpatrywane przestrzenie są zupełne, tzn. są przestrzeniami Banacha. W przypadku gdy Ω jest ograniczony, są one też przestrzeniami skończenie wymiarowymi. Jeśli Lh i wszystkie lk,h są operatorami liniowymi, to mówimy, że rozpatrujemy zadanie przybliżone (dyskretne) liniowe, czy schemat różnicowy liniowy. W przeciwnym razie - gdy choć jeden z operatorów jest nieliniowy, to mamy do czynienia z zadaniem przybliżonym nieliniowym, czy schematem różnicowym nieliniowym.

Proszę zauważyć, że rozpatrujemy rodzinę zadań przybliżonych, parametryzowanych przez h. Tak, jak w przykładzie w Rozdziale 7.1, aby mówić o zbieżności rozwiązania zadania dyskretnego uhUh do uU musimy mieć możliwość porównania obu funkcji. Dlatego zakładamy, że istnieje rodzina operatorów obcięcia (ang. restriction) rhU:UUh, które są liniowe i ograniczone jednostajnie (ang.uniformly bounded) względem h, tzn. K>0hωuU

rhUuUhKuU.

Operator obcięcia pozwala porównywać rozwiązania w normie przestrzeni dyskretnej, ale możemy porównywać je również w normie przestrzeni U. W tym celu musimy wprowadzić rodzinę operatorów liniowych przedłużenia phU:UhU. Najczęściej za operatory przedłużenia bierze się odpowiednie operatory interpolacji.

Uwaga 8.1

Można wprowadzić pojęcie zbieżności aproksymacji przestrzeni. Tzn. rodzinę trójek uh,rhU,phU nazywamy aproksymacją przestrzeni U i mówimy, że ta aproksymacja jest zbieżna, jeśli dla dowolnego uU zachodzi zbieżność

phUrhUu-uU0h0.

W teorii zbieżności metod różnicowych najczęściej nie stosuje się operatorów przedłużenia, a za to wprowadza się warunek zgodności norm:

Definicja 8.2

Jeżeli dla danej przestrzeni unormowanej (U,U) i rodziny przestrzeni unormowanych z odpowiednimi operatorami obcięcia (Uh,Uh,rhU) zachodzi zbieżność

limh0rhUuUh=uUuU,

to mówimy, że normy dyskretne Uh są zgodne (ang. consistent) z normą U,

Od tej pory będziemy zakładali zgodność norm dyskretnych z normą w U, według powyższej definicji.

Definicja 8.3

Zadanie przybliżone (zadanie dyskretne, schemat różnicowy) (8.5)-(8.6) jest zbieżne (czasami używa się terminu zbieżne dyskretnie) jeśli

rhUu-uhUh0h0,

gdzie u - to rozwiązanie zadania (8.3)-(8.4), a uhUh - to rozwiązanie dyskretne zadania przybliżonego (8.5)-(8.6).

Jeśli dodatkowo zachodzi

rhUu-uhUhOhp

to mówimy o zbieżności (dyskretnej) rzędu p.

Wielkość rhUu-uhUh będziemy nazywać błędem dyskretnym dla zadania przybliżonego (ang. dicrete error).

Kolejnym krokiem jest wprowadzenie pojęcia aproksymacji zadania ciągłego (wyjściowego zadania różniczkowego) przez zadanie dyskretne.

Definicja 8.4 (aproksymacja; rząd schematu; (ang. consistency))

Mówimy, że zadanie przybliżone (8.5)-(8.6) aproksymuje zadanie (8.3)-(8.4), jeśli lokalne błędy aproksymacji zdefiniowane jako

e0,h:=LhrhUu-fhFhek,h=lk,hrhUu-gk,hΦk,hk=1,,s,

dążą do zera dla h0. Tutaj u jest rozwiązaniem zadania (8.3)-(8.4), a fh,gk,h są z zadania dyskretnego (8.5)-(8.6). Jeśli dodatkowo zachodzi:

ek,h=Ohpk=0,1,,s,

to mówimy, że schemat aproksymuje (8.3)-(8.4) z rzędem p (ang. local truncation error is of order p), (inaczej, że lokalne błędy aproksymacji są rzędu p, dane zadanie przybliżone lub schemat różnicowy ma rząd p, rząd aproksymacji schematu wynosi p).

Drugim ważnym pojęciem jest stabilność zadania dyskretnego. Tu podamy definicje stabilności dla schematu liniowego:

Definicja 8.5 (stabilność; (ang. stability))

Liniowe zadanie przybliżone (8.5)-(8.6) jest stabilne (poprawnie postawione), jeśli istnieje stała h0 taka, że dla dowolnego hω, hh0 i dla dowolnych fhFh i gk,hΦk,h k=1,,s zachodzą:

  1. istnieje jednoznacznie wyznaczone rozwiązanie uhUh spełniające (8.5)-(8.6),

  2. rozwiązanie to spełnia następującą nierówność:

    uhUhC(fhFh+k=1Sgk,hΦk,h,

    gdzie C - to dodatnia stała niezależna od h (ani oczywiście od fh,gk,h).

Uwaga 8.2

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 Uh jest przestrzenią skończenie wymiarową, istnieje rozwiązanie (8.5)-(8.6) i spełniony jest warunek (2) z definicji 8.5, to wtedy to rozwiązanie jest jednoznaczne.

Sformułujemy teraz następujące twierdzenie o zbieżności zadania przybliżonego:

Twierdzenie 8.1 (Lax-Filipow)

Jeśli liniowe zadanie przybliżone (8.5)-(8.6) jest stabilne oraz aproksymuje zadanie (8.3)-(8.4), którego rozwiązaniem jest u, wtedy zadanie przybliżone jest zbieżne i

rhUu-uhUhCk=0sek,h.

Tutaj uh - to rozwiązanie zadania przybliżonego (8.5)-(8.6).

Z powyższego twierdzenia otrzymujemy od razu następujący wniosek:

Wniosek 8.1

Jeśli zadanie przybliżone (8.5)-(8.6) jest stabilne oraz aproksymuje zadanie (8.3)-(8.4) z rzędem p, to

rhUu-uhUh=Ohp.

Oznaczmy zh=rhUu-uh. Z liniowości Lh i lk,h dla k=1,,s wynika, że zh spełnia zadanie przybliżone z odpowiednimi prawymi stronami:

Lhzh=LhrhU-fh=wh,lk,hzh=lk,hrhUu-gk,h=wk,hk=1,,s,

zatem z definicji stabilności zadania przybliżonego otrzymujemy następujące oszacowanie:

zhUhCghFh+k=1swk,hΦk,h=CLhrhU-fhFh+k=1slk,hrhUu-gk,hΦk,h.

Następnie z faktu aproksymacji zadania (8.3)-(8.4) przez zadanie przybliżone (8.5)-(8.6) otrzymujemy ostatecznie oszacowanie:

rhUu-uhUh=zhUhCk=0sek,h=Ohp0h0.

Powyższe twierdzenie można krótko podsumować, że aby otrzymać schemat zbieżny z rzędem p musi być on stabilny i posiadać rząd aproksymacji p.

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.

Uwaga 8.3

Proszę zauważyć, że powyższa teoria zbieżności może zostać zastosowana do zadań różniczkowych rożnego typu - zarówno eliptycznych, jak i parabolicznych, czy hiperbolicznych.

8.2. Zastosowanie teorii zbieżności do prostych schematów jedno- i dwuwymiarowych

8.2.1. Przypadek jednowymiarowy

Wracamy teraz do dyskretyzacji modelowego zadania jednowymiarowego (7.5)-(7.6). Za przestrzeń U weźmy przestrzeń funkcji ciągłych na Ω¯, czyli Ca,b z normą supremum u=supta,but. Oznaczmy przez ChKh zbiór funkcji określonych na dowolnym podzbiorze Kh siatki Ω¯h z normą u,h,Kh=maxxKhux. Za przestrzeń dyskretną przyjmijmy Uh=CΩ¯h. Jeżeli wprowadzimy operatory Lh:UhFh i lh:UhΦh zdefiniowane jako (por. (7.3)):

Lhuhx=-¯uhx+cuhxxΩh
lhuhx=uxxΩh=Ω¯hΩh

dla Fh=ChΩh i Φh=ChΩh, to zadanie (7.5)-(7.6) możemy zapisać w formie operatorowej jako:

Lhuh=fh, (8.7)
lhuh=gh

dla fhFh zdefiniowanego jako fhx=fx dla xΩh oraz ghΦh z ghx=gx dla xΩh.

W tym przypadku dla funkcji ciągłej przekształceniem obcięcia (ang. restriction) jest rhCa,b:UUh zdefiniowany jako

rhCa,bux=rhux=uxxΩ¯h.

Możemy teraz zbadać zbieżność błędu dyskretnego:

rhu-uh,h

dla h0, co jest równoważne badaniu zbieżności w punktach siatki. Zauważmy, że otrzymujemy

rhu,huuU,

co oznacza jednostajną ograniczoności operatorów obcięcia.

Można też w tym przypadku łatwo wprowadzić operator przedłużenia (ang. prolongation) ph:UhU. Np. niech ph będzie funkcją ciągłą liniowo interpolującą wartości uh pomiędzy punktami siatki tj.

phx=uhxk+uhxk+1-uhxkhx-xkxkxxk+1.

Następnie możemy badać zbieżność błędu phuh-u dla h0. Jeśli błąd zbiega do zera, to mówimy o zbieżności schematu w normie supremum.

Zauważmy, że w naszym przypadku dodatkowo zachodzi

phrhu-u0h0uU, (8.8)

czyli zbieżność aproksymacji przestrzeni wyjściowej przez przestrzeń dyskretną oraz

limh0rhu,h=uuU, (8.9)

czyli zachodzi zgodność rodziny norm przestrzeni dyskretnych (Uh,,h) z normą przestrzeni wyjściowej (U,). Wykazanie tego pozostawiamy jako zadanie, por. ćwiczenie 8.1.

Innym wyborem przestrzeni i norm jest badanie zbieżności i błędu w normie L2a,b, czy odpowiednio dyskretnej normie Lh2 definiowanej dla uUh jako:

u0,h=hxΩ¯hux2,

gdzie Uh=Lh2Ω¯h - to przestrzeń wszystkich funkcji określonych na Ω¯h. Oczywiście zmieniliśmy oznaczenie przestrzeni funkcji dyskretnych na siatce. Jest to ten sam zbiór funkcji określonych na siatce, ale zmieniła się norma dyskretna.

Aby otrzymać zgodność norm powinniśmy inaczej zdefiniować obcięcia np. poprzez uśrednienia, czyli rhL2:L2ΩLh2Ω¯h dla xΩ¯h definiujemy:

rhL2ux=1Kx,hΩBx,hΩuxdx.

dla Kx,h kuli o środku w x i promieniu h.

Inna możliwość to rozważenie zbioru funkcji ciągłych U=Ca,b ale z normą L2, oraz normy dyskretnej typu Lh2 na Uh. Następnie możemy przeprowadzić analizę z obcięciem rh:=rhCa,bu. Zbiór funkcji U=Ca,b z normą L2 nie jest przestrzenią zupełną, ale jest gęstą podprzestrzenią przestrzeni L2a,b.

Nietrudno zauważyć, że problem przybliżony aproksymuje problem wyjściowy z rzędem dwa, o ile rozwiązanie należy do C4Ω¯, w obu powyżej przedstawionych przestrzeniach dyskretnych, czyli w odpowiednich normach dyskretnych. Wykazanie, że schemat jest stabilny zarówno w CΩ¯h jak i L2Ω¯h jest trudniejsze. Zajmiemy się tym w kolejnych wykładach.

8.2.2. Przypadek dwuwymiarowy

Rozpatrzmy ponownie modelowe zadanie dwuwymiarowe na kwadracie jednostkowym (7.8). Analogicznie, jak w przypadku jednowymiarowym, niech U=C0,12 z normą supremum u=supt0,12ut i ChKh będzie przestrzenią funkcji określonych na podzbiorze Kh siatki Ω¯h (por. (7.10)) z normą u,h,Kh=maxxKhux. Przestrzeń dyskretną definiujemy jako Uh=CΩ¯h.

Operator siatkowy (ang. mesh operator or discrete operator) Lh:UhFh i brzegowy lh:UhΦh definiujemy jako:

Lhuhx=-k=1,2¯k+cuhx,xΩh
lhuhx=ux,xΩh=Ω¯hΩh

dla Fh=ChΩh i Φh=ChΩh. Teraz zadanie (7.11) możemy zapisać w formie operatorowej jako

Lhuh=fhlhuh=gh (8.10)

dla funkcji prawej strony fhFh oraz ghΦh zdefiniowanych jako fhx=fx dla xΩh i ghx=gx dla xΩh. Operatorem obcięcia (ang. restriction) jest rh:UUh, zdefiniowany jako

rhux=uxxΩ¯h.

Tak samo jak w przypadku jednowymiarowym badamy błąd: rhu-uh,h, lub w dyskretnej normie L2, tzn. w

u0,h=h2xΩ¯hux2.

Tu Uh=Lh2Ω¯h jest zdefiniowana jako przestrzeń wszystkich funkcji określonych na Ω¯h. Oczywiście zbiór funkcji siatkowych jest ten sam, zmieniła się tylko norma.

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.

8.3. Zadania

Ćwiczenie 8.1

Udowodnij (8.8) i (8.9).

Ćwiczenie 8.2

Zbadaj rząd lokalnych błędów aproksymacji schematu (8.7) dyskretyzacji modelowego problemu jednowymiarowego w obu normach dyskretnych.

Ćwiczenie 8.3

Wykaż, że rząd aproksymacji schematu (7.11) w dyskretnych normach maksimum i Lh2 wynosi dwa, o ile rozwiązania wyjściowego zadania różniczkowego są dostatecznie gładkie.

Ćwiczenie 8.4

Zbadaj rząd lokalnych błędów aproksymacji schematu (8.10) dyskretyzacji modelowego problemu dwuwymiarowego w obu normach dyskretnych.

Ćwiczenie 8.5

(Przybliżony warunek brzegowy) Rozpatrzmy modelowe zadanie jednowymiarowe z warunkiem brzegowym Dirichleta:

-u′′x=fxx0,1x0=ax1=b

dla fC.

Rozpatrzmy następującą dyskretyzację zbudowaną na siatce Ω¯h=xkk=0,,N-1 dla xk=k*h z k=0,,N-1 z N-1*h<1<N*h. Definiujemy Ωk=k*hk=1,,N-2 i Ωh=0,N-1*h, oraz operatory:

Lhuhx=¯uhxxΩh

i lhuh0=a,lhuhxN-1=b. Zbadaj rząd lokalnego błędu aproksymacji tej dyskretyzacji w dyskretnej normie maksimum.

Wskazówka: 

Wystarczy zbadać błąd operatora brzegowego w punkcie xN-1. W pozostałych punktach błąd jest jak w schemacie (8.7).

Ćwiczenie 8.6

Rozważmy modelowe zadanie, jak i siatkę niezawierającą prawy koniec obszaru, tak jak w poprzednim ćwiczeniu.

Operatory Lh i lh0=a definiujemy tak samo, natomiast zmodyfikujmy operator brzegowy lh w prawym końcu, tzn. w punkcie xr:=xN-1<1.

Rozpatrzmy tzw. aproksymację Collatza, tzn. niech wartość lhxr=b będzie liniowo interpolowała warunek brzegowy w końcu obszaru:

lhuhxr=uhxr+uhxr-uhxr-hh1-xr=1+h~huhxr-h~huhxr-h=b,

gdzie h~=1-xr<h.

Zbadaj lokalny błąd aproksymacji tego schematu w normach dyskretnych maksimum i Lh2 i jego rząd, tzn. czy zachowuje się jak Ohp dla pewnego p naturalnego.

Ćwiczenie 8.7

Rozpatrzmy zadanie z poprzedniego ćwiczenia, ale z siatką nierównomierną: Ω¯h=xkk=0,,N-11 dla xk=k*h z k=0,,N-1 z N-1*h<1<N*h. Operator lh możemy zdefiniować jako

lhu0=lhux~=0,

gdzie x~=1, ale musimy zmodyfikować definicję Lh, tzn.

Lhuxk=-¯uxkk=1,,N-2

i

LhuxN-1=auxN-2+buxN-1+cux~.

Wyznacz a,b,c w zależności od wartości h i h~=1-xN-1<h tak, aby lokalny błąd aproksymacji schematu był możliwie mały.

Ćwiczenie 8.8

Rozpatrzmy zadanie jednowymiarowe -d2udt2+u=f na [(0,1) z warunkiem Neumanna dudt0=dudt1=0. Rozpatrzmy następującą dyskretyzację zbudowaną na siatce Ω¯h=xkk=0,,N-1 dla xk=k*h z h=1/N.

Lhuxk=-¯huxk+uxk=fxkk=1,,N-1

oraz

l1u0=hu0=0,l2u0=¯hu1=0.

Zbadaj rząd lokalnego błędu aproksymacji tego schematu względem parametru siatki h w dyskretnej normie maksimum i dyskretnej normie Lh2.

Ćwiczenie 8.9

Rozpatrzmy zadanie jednowymiarowe -d2u*dt2+u*=f na 0,1 z warunkiem Neumanna du*dt0=du*dt1=0. Rozpatrzmy następującą dyskretyzację o podwyższonym rzędzie zbudowaną na siatce Ω¯h=xkk=0,,N-1 dla xk=k*h z h=1/N. W punktach wewnętrznych siatki stosujemy standardowo aproksymacje na trzech punktach:

Lhuxk=-¯huxk+uxk=fxkk=1,,N-1

natomiast na brzegu podnosimy rząd schematu, a dokładniej zakładamy, że równanie jest spełnione w punktach brzegu, tzn. funkcja f jest określona na Ω¯=0,1 i -d2u*xdt2+u*x=fx dla x0,1. Rozpatrzmy lewy punkt brzegu x=0. Widzimy, że

hu*0=du*dt0+d2udt2*0*h2+Oh2=du*dt0+u*0-f0h2+Oh2,

o ile u jest dostatecznie gładka. Zatem - korzystając z obu faktów - możemy skonstruować równanie różnicowe:

huh0-uh0h2=-f0h2

przybliżające warunek Neumanna w punkcie x=0 z wyższym rzędem.

Skonstruuj analogiczne równanie różnicowe przybliżające warunek Neumanna w punkcie x=1 z wyższym rzędem. Pokaż, że rząd lokalnego błędu aproksymacji tego schematu względem parametru siatki h wynosi dwa w dyskretnej normie maksimum i dyskretnej normie Lh2 dla odpowiednio gładkiego rozwiązania. Przetestuj w octavie rząd lokalnego błędu schematu w normie dyskretnej maksimum dla u=cosπx metodą połowienia kroków.

Ćwiczenie 8.10

Rozpatrzmy modelowe zadanie dwuwymiarowe na kole o średnicy jeden tzn. (7.8) dla Ω¯=K¯0,1. Dobierzmy siatkę na płaszczyźnie o parametrze h równomierną zawierającą punkt 0,0, tzn. k*h,l*hk,l.

Za Ωh uznajmy wszystkie punkty siatki, które należą do Ω i wszystkie punkty przecięcia prostych zadających siatkę z brzegiem Ω. Te punkty przecięcia uznajemy za brzegowe punkty siatki. Otrzymujemy oczywiście siatkę nierównomierną, bo odległość między brzegowym punktem siatki, a jego sąsiadem wewnętrznym jest mniejsza od h (poza ewentualnie pojedynczymi punktami).

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 xΩh (załóżmy, że tylko jego prawy sąsiad xr=x+h~e1 jest na brzegu):

Lhu(x)=a*u(x-he1)+bu(x)+cu(x+h~e1)+-¯2u(x).

dla pewnych parametrów a,b,c.

Jeśli x ma dwa punkty sąsiednie leżące na brzegu (powiedzmy prawy i dolny punkt sąsiedni), tzn. xp=x+h~e1,xd=x-he1 są na brzegu, to oczywiście musimy wyznaczyć całe równanie różnicowe:

Lhux=aux-he1+bux+cux+h~e1+αux-he1+βux+γux-he2.

Zadanie: Wyznacz odpowiednie parametry a,b,c, czy α,β,γ tak, aby lokalny błąd schematu Lhux-Lux był możliwie mały, tzn. żeby schemat posiadał możliwie wysoki rząd lokalnego błędu aproksymacji względem h w dyskretnej normie maksimum.

Treść automatycznie generowana z plików źródłowych LaTeXa za pomocą oprogramowania wykorzystującego LaTeXML.

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.

Projekt współfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego i przez Uniwersytet Warszawski.