Главная » Все файлы » Просмотр файлов из архивов » PDF-файлы » Численные методы. Ионкин (2009)

Численные методы. Ионкин (2009), страница 9

PDF-файл Численные методы. Ионкин (2009), страница 9 Численные методы (53965): Лекции - 7 семестрЧисленные методы. Ионкин (2009): Численные методы - PDF, страница 9 (53965) - СтудИзба2019-09-19СтудИзба

Описание файла

PDF-файл из архива "Численные методы. Ионкин (2009)", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "численные методы" из 7 семестр, которые можно найти в файловом архиве МГУ им. Ломоносова. Не смотря на прямую связь этого архива с МГУ им. Ломоносова, его также можно найти и в других разделах. .

Просмотр PDF-файла онлайн

Текст 9 страницы из PDF

Ïîëó÷èìq = 1 + γ(eihφ − 2 + e−ihφ ) = 1 + γ(2 cos hφ − 2) = 1 − 4γ sin2Åñëè âçÿòüφòàêîå, ÷òî|q| > 1,ò.å.γ > 21 ,hφ.2òî ãàðìîíèêè áóäóò íåîãðàíè÷åííî âîçðàñòàòü èðàçíîñòíàÿ ñõåìà áóäåò ðàñõîäèòüñÿ.Òàêèì îáðàçîì, óñëîâèå (15) ÿâëÿåòñÿ íåîáõîäèìûì è äîñòàòî÷íûì äëÿ ñõîäèìîñòè è óñòîé÷èâîñòè ÿâíîé ðàçíîñòíîé ñõåìû.×èñòî íåÿâíàÿ ðàçíîñòíàÿ ñõåìà (ñõåìà ñ îïåðåæåíèåì)Çàïèøåì ðàññìàòðèâàåìóþ çàäà÷ó:∂u∂ 2u= 2 + f (x, t),∂t∂t0 < x < 1,0 < t ≤ T,(20)êðàåâûå óñëîâèÿ:(u(0, t) = µ1 (t),u(1, t) = µ2 (t),(21)íà÷àëüíîå óñëîâèå:u(x, 0) = u0 (x).(22)Ðàçíîñòíûé àíàëîã çàäà÷è (20) (22) èìååò âèä:n+1n+1yi−1− 2yin+1 + yi+1yin+1 − yin=+ f (xi , tn+1 ),τh2(y0n+1 = µ1 (tn+1 ),n+1yN= µ2 (tn+1 ),yi0 = u0 (xi ),(xi , tn+1 ) ∈ ωτ h ,tn+1 ∈ ω τ ,tn+1 ∈ ω τ ,(23)(24)xi ∈ ω h .(25)Ïåðåïèøåì (23) â âèäå:n+1n+1γyi−1− (1 + 2γ)yin+1 + γyi+1= −(yin + fin+1 ),i = 1, .

. . , N − 1.A ÿâëÿåòñÿ òðåõ÷òî |A| =6 0. ÒàêèìÄàííàÿ ñèñòåìà óðàâíåíèé ñîñòîèò èç òðåõòî÷å÷íûõ óðàâíåíèé. Åå ìàòðèöàäèàãîíàëüíîé. Ýòà ñèñòåìà ðåøàåòñÿ ìåòîäîì ïðîãîíêè. Ìîæíî äîêàçàòü,îáðàçîì, ðåøåíèå äàííîé ñèñòåìû ñóùåñòâóåò è åäèíñòâåííî, è íàõîäèòñÿ ìåòîäîì ïðîãîíêè.Ââåäåì ïîãðåøíîñòü:zin = yin − u(xi , tn ) = yin − uniÒîãäà äëÿ ïîãðåøíîñòè ïîëó÷èì óðàâíåíèå:n+1z n+1 − 2zin+1 + zi−1zin+1 − zin= i+1+ ψin ,2τhãäåψin =n+1un+1+ un+1un+1− unii+1 − 2uii−1i−+ fin+1h2τ(26)(27)Ðàçíîñòíûå ñõåìû äëÿ ïåðâîé êðàåâîé çàäà÷è äëÿ óðàâíåíèÿ òåïëîïðîâîäíîñòèÇàäà÷à. Ïîêàçàòü, ÷òî ψin èçÐåøåíèå.

Ðàçëîæèìun+1i±1èuni(27) åñòü65O(τ + h2 ).â ðÿä Òåéëîðà:n+1n+1un+1± ux,ih + un+1i±1 = uixx,ih3h2± un+1+ O(h4 )xxx,i262uni = un+1− un+1it,i τ + O(τ )Ïîäñòàâèì ýòè ðàçëîæåíèÿ â ôîðìóëó (27). Ïîëó÷èì:n+1n+1) + O(τ + h2 ) = O(τ + h2 )ψin = (−un+1t,i + uxx,i + fiÇàìåòèì, ÷òî:n+1z0n+1 = zN= zi0 = 0,Ïóñòü∃i0 ,i = 0, . . .

, N(28)òàêîé ÷òî:|zin+1| = max |zin+1 | = ||z n+1 ||C01≤i≤Nn+1n+1zin+1 = zin + γ(zi+1− 2zin+1 + zi−1) + τ ψin ,γ=τh2n+1n+1(1 + 2γ)zin+1 = zin + γ(zi+1+ zi−1) + τ ψinÇàïèøåì ïîñëåäíåå ðàâåíñòâî äëÿ óçëài0 :(1 + 2γ)zin+1= zin0 + γ(zin+1+ zin+1) + τ ψin000 +10 −1(1 + 2γ)|zin+1| ≤ |zin0 | + γ(|zin+1| + |zin+1|) + τ |ψin0 |00 +10 −1(1 + 2γ)||z n+1 ||C ≤ ||z n ||C + 2γ||z n+1 ||C + τ ||ψ n ||C||z n+1 ||C ≤ ||z n ||C + τ ||ψ n ||CÏîñëåäíåå ñîîòíîøåíèå ÿâëÿåòñÿ ðåêêóðåíòíûì.

Ïðèìåíèì åãî n ðàç:||zn+10||C ≤ ||z ||C +NXτ ||ψ k ||Ck=0Èç (28) èìååì:||z 0 ||C = 0.Òàê êàê||ψ k || ≤ M (τ + h2 ),||zn+1||C ≤ MNXãäå M íå çàâèñèò îòτè h, òî:τ (τ + h2 )k=0Òàêèì îáðàçîì, îêîí÷àòåëüíî ïîëó÷àåì:||z n+1 ||C ≤ M1 (τ + h2 ),M1 = M tn+1 íå çàâèñèò îòτè h.Èç ïîñëåäíåãî ñîîòíîøåíèÿ ñëåäóåò, ÷òî ÷èñòî íåÿâíàÿ ðàçíîñòíàÿ ñõåìà àñáîëþòíî ñõîäèòñÿn+1(èìååì àáñîëþòíóþ ñõîäèìîñòü ïåðâîãî ïîðÿäêà ïî τ è âòîðîãî ïîðÿäêà ïî h). Åñëè y0=n+1yN = 0, òî:NXn+1||y ||C ≤ ||u0 ||C +τ ||f k ||Ck=0Òàêèì îáðàçîì, ïîëó÷àåì óñòîé÷èâîñòü ÷èñòî íåÿâíîé ðàçíîñòíîé ñõåìû ïî íà÷àëüíîìó ïðèáëèæåíèþ è ïðàâîé ÷àñòè.Ðàçíîñòíûå ñõåìû äëÿ ïåðâîé êðàåâîé çàäà÷è äëÿ óðàâíåíèÿ òåïëîïðîâîäíîñòè66Ñèììåòðè÷íàÿ ðàçíîñòíàÿ ñõåìà (ñõåìà Êðàíêà-Íèêîëüñîíà)Îáîçíà÷èì ÷åðåçmyxx,iâòîðóþ ðàçíîñòíóþ ïðîèçâîäíóþ ïî ïðîñòðàíñòâåííîé ïåðåìåííîé:myxx,i=mmyi+1− 2yim − yi−1h2Ðàçíîñòíàÿ ñõåìà èìååò âèä:yin+1 − yinn+1n= 0.5(yxx,i) + f (xi , tn + 0.5τ )+ yxx,iτn+1y0n+1 = µ1 (tn+1 ), yN= µ2 (tn+1 ),yi0 = u0 (xi ),Ââåäåì ïîãðåøíîñòü:zin = yin − uni .n+1+ unxx,i ) −ψin = 0.5(uxx,iun+1i±1èuni(30)(31)Òîãäà äëÿ ïîãðåøíîñòè èìååì:n+1z0n+1 = zN= 0,Ðåøåíèå.

Ðàçëîæèìtn+1 ∈ ω txi ∈ ω hzin+1 − zinn+1n= 0.5(zxx,i+ zxx,i) + ψin ,τÇàäà÷à. Ïîêàçàòü, ÷òî ψin èç(29)(34) åñòüzi0 = 0,(xi , tn+1 ) ∈ ωτ hi = 0, . . . , Nn+ 21(34)O(τ 2 + h2 ).(xi , tn+ 1 ):21 n+ 1τ+ utt,i 2+ O(τ 3 )2 221 n+ 1 τ 2n+ 1 τ− ut,i 2 + utt,i 2+ O(τ 3 )2 22n+ 21uni = ui(33)un+1− unii+ f (xi , tn + 0.5τ )τâ ðÿä Òåéëîðà â îêðåñòíîñòè òî÷êèun+1= uii(32) τ 2n+ 12+ ut,iÏîäñòàâèì ýòè ðàçëîæåíèÿ â ôîðìóëó (34):n+ 12ψin = −ut,in+ 12n+ O(τ 2 ) + 0.5(un+1xx,i + uxx,i ) + fiÒåïåðü â ïðåäñòàâëåíèè âòîðîé ðàçíîñòíîé ïðîèçâîäíîé ðàçëîæèì âñå âõîæäåíèÿ ôóíêöèè âðÿä Òåéëîðà.

Ïðèâîäÿ ïîäîáíûå ñëàãàåìûå, ïîëó÷èì:nuxx,i= unxx,i + unxxxx,iÏðèìåíèì ýòî ðàçëîæåíèå êh2+ O(h4 )12n+1uxx,i, à çàòåì ïðîâåäåì åùå îäíî ðàçëîæåíèå â ðÿä Òåéëîðà â òî÷êå(xi , tn+ 1 ):2h2+ O(h4 ) =122h2 τn+ 1 τn+ 12 hn+ 12+ uxxt,i2 + uxxxx,i+ uxxxxt,i· + O(τ 2 + h4 )21212 2n+1n+1uxx,i= un+1xx,i + uxxxx,in+ 1= uxx,i2Ðàçíîñòíûå ñõåìû äëÿ ïåðâîé êðàåâîé çàäà÷è äëÿ óðàâíåíèÿ òåïëîïðîâîäíîñòèÒî æå ñàìîå ïðîäåëàåì è ñ67n:uxx,ih2+ O(h4 ) =12unxx,i = unxx,i + unxxxx,in+ 12τh2 τn+ 12 hn+ 12+ uxxxx,i− uxxxxt,i· + O(τ 2 + h4 )21212 2nâûðàæåíèå äëÿ ψi è ó÷òåì óðàâíåíèå òåïëîïðîâîäíîñòè:n+ 1= uxx,i2 − uxxt,i2Ïîäñòàâèì ýòè ðàçëîæåíèÿ ân+ 21ψin = (−ut,in+ 1n+ 12+ uxx,i2 + fin+ 12) + uxxxx,ih2+ O(τ 2 + h4 ) = O(τ 2 + h2 )12Çàäà÷à Øòóðìà-ËèóâèëëÿÐàññìîòðèì çàäà÷ó Øòóðìà-Ëèóâèëëÿ äëÿ äèôôåðåíöèàëüíîãî óðàâíåíèÿ âòîðîãî ïîðÿäêà:u00 (x) + λu(x) = 0,u(0) = u(1) = 0;0 < x < 1,u(x), íå ðàâíûå òîæäåñòâåííî íóëþ, - ñîáñòâåííûå ôóíêöèè ÇØË, àÇØË.

Ðåøåíèåì äàííîé çàäà÷è ÿâëÿþòñÿ ñîáñòâåííûå çíà÷åíèÿλkλ- ñîáñòâåííûå çíà÷åíèÿè ñîáñòâåííûå ôóíêöèèuk (x):λk = (πk)2 ,k = 1, 2, . . .0 < λ1 < λ2 < · · · < λn < . . .uk (x) = C sin(πkx)Ðàññìîòðèì ëèíåéíîå ïðîñòðàíñòâîR1L2 ôóíêöèé, èíòåãðèðóåìûõ ñ êâàäðàòîì íà [0, 1] ( f 2 (x)dx <0∞).Ââåäåì ñêàëÿðíîå ïðîèçâåäåíèå è íîðìó âL2 :Z1∀f, g ∈ L2 : (f, g) =f (x)g(x)dx0Z1||f ||L2 = √C = 2, 21f 2 (x)dx0òîãäà(uk , ul ) = δkl ,{uk (x)}∞k=1- îðòîíîðìèðîâàííûé áàçèñ â L2 .∞PÒàêèì îáðàçîì, ëþáóþ ôóíêöèþ f ∈ L2 ìîæíî ïðåäñòàâèòü â âèäå: f (x) =Ck uk (x), ãäå Ckk=1- êîýôôèöèåíòû Ôóðüå. Èìååò ìåñòî ðàâåíñòâî Ïàðñåâàëÿ:Âîçüìåìòî åñòü||f ||2L2=∞Xk=1Ck2Ðàçíîñòíûå ñõåìû äëÿ ïåðâîé êðàåâîé çàäà÷è äëÿ óðàâíåíèÿ òåïëîïðîâîäíîñòè68Ðàññìîòðèì äèñêðåòíûé àíàëîã çàäà÷è Øòóðìà-Ëèóâèëëÿ: yxx,i + λyi = 0, i = 1, .

. . , N − 1,y0 = yN = 0,yi íå ðàâíû òîæäåñòâåííî 0;(35)Ïîäñòàâèì â ïåðâîå óðàâíåíèå ïðåäñòàâëåíèå âòîðîé ðàçíîñòíîé ïðîèçâîäíîé:yi+1 − 2yi + yi−1 + λh2 yi = 0yi+1 + yi−1 = (2 − λh2 )yiÁóäåì èñêàòüyi = y(xi )â âèäåsin(αxi ), α ∈ R.yi+1 = sin(α(xi + h)),Òîãäà:yi−1 = sin(α(xi − h))yi+1 + yi−1 = sin(α(xi + h)) + sin(α(xi − h)) = 2 sin(αxi ) cos(αh)2 sin(αxi ) cos(αh) = (2 − λh2 ) sin(αxi )2 cos(αh) = (2 − λh2 )4 sin22(1 − cos(αh))=λ=h2h2Èç óñëîâèÿy0 = yN = 0αh2(36)èìååì:sin α = 0,k∈Zα = πk,Èòàê, ìû íàøëè ñîáñòâåííûå çíà÷åíèÿ è ñîáñòâåííûå ôóíêöèè äèñêðåòíîé çàäà÷è ØòóðìàËèóâèëëÿ:λk =4αhsin22h2√2 sin(πkxi ), i = 0, . .

. , N, k = 1, . . . , N − 1√Êîíñòàíòó âûáèðàåì ðàâíîé2 èç ñîîáðàæåíèé îðòîíîðìèðîâàííîñòè.Ââåäåì H - ëèíåéíîå ïðîñòðàíñòâî ñåòî÷íûõ ôóíêöèè: dim H = N − 1, ∀u ∈ H : u0 = uN = 0.yk (xi ) =Îïðåäåëèì ñêàëÿðíîå ïðîèçâåäåíèå è íîðìó â H:∀u, v ∈ H : (u, v) =N−1Xui vi hi=1||u||H =NX! 12u2i hi=1N −1Ïóñòü (yk , yl ) = δk l , òîãäà {yk (xi )}k=1 - îðòîíîðìèðîâàííûé áàçèñ â H, è ëþáóþ ôóíêöèþìîæíî ïðåäñòàâèòü â âèäå:u(xi ) =N−1Xk=1Ck yk (xi ),i = 0, . .

. , Nu∈HÐàçíîñòíûå ñõåìû äëÿ ïåðâîé êðàåâîé çàäà÷è äëÿ óðàâíåíèÿ òåïëîïðîâîäíîñòè69Èìååò ìåñòî òàêæå è ðàâåíñòâî Ïàðñåâàëÿ:||u||2H=N−1XCk2k=1Ïóñòüµk (xi ) ≡ yk (xi ),k = 1, . . . , N − 1,ÇØË (35). Âåðíåìñÿ ê (32) - (34). Ðàçëîæèìzin=i = 0, . . . , N, - ñîáñòâåííûåzin è ψin ïî áàçèñó èç µn :N−1Xôóíêöèè äèñêðåòíîék (tn )µk (xn )1ψin=N−1Xψ (k) (tn )µk (xn )1Ïîäñòàâèì ýòè ðàçëîæåíèÿ â (32):N−1Xµk (xi )(ck (tn+1 ) − ck (tn )) =k=1= 0.5τN−1XN−1Xk=11(µk )xx,i (ck (tn+1 ) + ck (tn )) + τψ (k) (tn )µk (xn )ck (tn+1 ) − ck (tn )+ 0, 5λk (ck (tn+1 ) + ck (tn )) = ψ (k) (tn )τn = 0, 1, .

. . , k = 1, N − 1, ck (0) = (r(0), µk ) = 0Ðàçðåøèì óðàâíåíèå îòíîñèòåëüíî (n+1)-ãî ñëîÿ.ck (tn+1 ) =Ïîëîæèìqk =1 − 0, 5τ λkτck (tn ) +ψ (k) (tn )1 + 0, 5τ λk1 + 0, 5τ λk1−0,5τ λk1+0,5τ λkck (tn+1 ) = qk ck (tk ) +τψ (k) (tn )1 + 0, 5τ λkÒîãäà:zin+1=N−1Xck (tn+1 )µ(k) (xi ) =k=1N−1Xk=1kqk ck (tn )µ (xi ) +N−1Xk=1τψ k (tn )µk (xi ) = vin+1 + win+11 + 0.5τ λkÎ÷åâèäíî,kz n+1 k ≤ kv n+1 k + kwn+1 kÎöåíèìkv n+1 k,èñïîëüçóÿ ðàâåíñòâî Ïàðñåâàëÿ.(37)Ðàçíîñòíûå ñõåìû äëÿ ïåðâîé êðàåâîé çàäà÷è äëÿ óðàâíåíèÿ òåïëîïðîâîäíîñòè|qk | < 1 ⇒ kvn+1 2k =N−1Xqk2 c2k (tn )≤N−1Xc2k (tn ) = kz n k270(38)k=1k=1Àíàëîãè÷íî,kwn+1 k2 ≤ τ 2 kψ n k2(39)Ó÷èòûâàÿ (38) è (39) íåðàâåíñòâî (37) ïðèìåò âèä:kzn+1nn0k ≤ kz k + τ kψ k ≤ kz k +N−1Xτ kψ k kk=1Èç ðàíåå ðåøåííîé çàäà÷è:kψ k k ≤ M (τ 2 + h2 ) ⇒kz n+1 k ≤ M T (τ 2 + h2 ) → 0ãäåMèTíå çàâèñÿò îòτèïðèτ, h → 0,0 < M = const(40)h.Ðàçíîñòíàÿ ñõåìà ñ âåñàìè.

Свежие статьи
Популярно сейчас
Зачем заказывать выполнение своего задания, если оно уже было выполнено много много раз? Его можно просто купить или даже скачать бесплатно на СтудИзбе. Найдите нужный учебный материал у нас!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
5288
Авторов
на СтудИзбе
417
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее