Наближення побудуємо так:
Тоді одержимо таку різницеву схему:
(9.33)
Варто відзначити, що для того щоб різницева схема була збалансованою (тобто щоб не робити зайвих обчислень в одному місці, а потім загрубляти їх в іншому), необхідно, щоб порядки апроксимації в диференціальному рівнянні та у крайовій умові другого типу були узгоджені. Інакше, якщо використовувати низький (перший) порядок апроксимації в крайовій умові, то вся схема буде апроксимувати вихідну задачу з першим порядком апроксимації.
Постараємося всі дані в задачі наблизити з другим порядком точності. Для
цього розкладемо в ряд Тейлора в точці
з залишковим членом другого порядку
малості
Спробуємо позбутися від . Нехай на границі також
виконується рівняння коливання, тоді
, і крайова умова
набере вигляду
де вираз точно визначимо із початкових
умов.
Тоді різницеву схему можна записати у вигляді
Порядок апроксимації крайової умови буде . Будемо
вимагати в задачі другого порядку апроксимації і в першому рівнянні. Для цього
достатньо взяти
.
Таким чином, різницевий аналог вихідної задачі буде її апроксимувати з другим
порядком по і по h.
Розглянемо питання про визначення наближеного розв’язку. Знайдемо із
побудованої різницевої схеми вираз для
. (9.34)
Покажемо, як визначається сіткова функція на всій сітці. Розглянемо формулу(9.34) при n=1
Оскільки відоме з початкових умов, а
можемо знайти із другої крайової умови, то
знаходиться явно на усьому другому
часовому шарі. Аналогічно можна знайти
і так
далі, тобто знайти значення шуканої сіткової функції на всій сітці (як і раніше
роблячи це пошарово).
Як видно із процесу пошуку розв’язку, ця схема – явна і побудований розв’язок буде єдиним.
Розглянемо питання стійкості. Будемо використовувати відомий нам метод гармонік. Запишемо відповідне однорідне рівняння
.
Підставимо
в нього розв’язок вигляду , тоді отримаємо
Розв’язки цього квадратного рівняння будуть такими:
.
Проаналізуємо дискримінант (підкорінний вираз) квадратного рівняння:
1 : оскільки вільний член дорівнює одиниці,
то
. В цьому випадку (можна показати, що
корені не можуть бути протилежними по знаку)
або
більше одиниці, тому стійкості не буде при
даних значеннях параметрів.
2 : аналогічно,
.
Знайдемо значення абсолютної величини кореня
.
Тоді , звідки випливає, що розв’язок буде
стійким.
Розпишемо умову недодатності дискримінанту
,
або розписавши
.
Права нерівність виконана завжди, перепишемо ліву
.
У гіршому випадку отримаємо , що еквівалентно
(нагадаємо, що в рівнянні теплопровідності
ми отримували обмеження вигляду
). Отримуємо, що
побудована схема є умовно стійкою.
Отже, можна виділити кілька особливостей для рівняння коливань:
1) додаткова умова на апроксимацію;
2) розв’язок будується пошарово;
3) умовна стійкість з простими обмеженнями.
9.8 Рівняння еліптичного типу
Прикладом повної математичної постановки задачі для рівняння еліптичного типу є задача з крайовими умовами першого роду, яка має назву задачі Діріхле для рівняння Пуассона
(9.35)
яке задане в однозв'язній області G з границею Г. Коефіцієнти в рівнянні, права частина та границя Г є достатньо гладкими: a(x,y)>0, b(х,у)>О, g(х,у)<0 в G. Потрібно знайти функцію u(х,у), яка задовольняє всередині деякої області G рівняння (9.35), а на границі Г – умову
(9.36)
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.