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重调和方程的二阶边值问题的求解
微分方程数值解课程设计
——重调和方程的二阶边值问题的求解
学院、系: 理学院 数学系
专 业: 信息与计算科学
姓 名: 陈剑宇
学 号: 201030470140
任课教师: 黄凤辉
提交日期: 2012/12/27
总评成绩:
摘 要
本次课程设计,主要讨论重调和方程二阶边值问题的求解。文章分成四部分:第一部分,介绍如何将重调和方程的二阶边值问题分解,进而用经典的五点差分格式逼近;第二部分,列出对应的MATLAB算法和流程图;第三部分,通过上述方法求解具体的问题,并分析方法的精度和收敛阶;第四部分,将方法推广应用到抛物型方程,然后分析稳定性。
关键词:重调和方程的二阶边值问题;五点差分格式;MATLAB;抛物型方程
目 录
一 引言 4
1.1 背景 4
1.2 问题的提出 5
二 方法介绍 6
2.1 五点差分方法 6
2.2 二阶边值问题分解 8
2.2.1 当a2?4b≥0时 8
2.2.2 当a2?4b0时 9
2.3 推广到抛物型方程 10
三 算法程序 11
3.1 程序列表 11
3.2 算法流程图与介绍 12
3.2.1 重调和方程二阶边值程序 12
3.2.2 抛物型方程程序 14
四 结果与分析 16
4.1 误差对比方法判断重调和方程算法的收敛阶 16
4.1.1 a2?4b≥0的误差对比方法 16
4.1.2 a2?4b0的误差对比方法 18
4.1.3 结论 20
4.2 图像方法判断重调和方程算法的收敛阶 21
4.2.1 a2?4b≥0的图像方法 21
4.2.2 a2?4b0的图像方法 23
4.2.3 结论 24
4.3 特例(大步长,高精度) 25
4.3.1 特殊例子 25
4.3.2 结论 26
4.4 抛物型稳定性条件测试 26
4.4.1 验证稳定性条件 26
4.4.2 结论 28
五 总结 29
六 参考文献 30
引言
1.1 背景
微分方程是构造力学等领域的数学模型的主要方法。一般来讲,无论是物体运动轨迹或是流体速度测定模型都需要用到数值方法去求解。通过对椭圆型、抛物型和双曲型方程的研究和探讨,可以和现实中许多实际问题相互挂钩,并且得到解决问题的方法。许多的数学家都致力于其中,如欧拉、柯西、贝努利、拉格朗日等人都为之做出了重要贡献。有限差分法、有限元法等等,为我们提供了求解的方法和手段。
通过对微分方程数值解的学习和研究,我们可以得到许多实际问题的求解方法。虽然大部分问题求出来的是近似解,但是只要精度够高,能满足现实中的需求,这就足以体现它的重要性。
在偏微分方程的求解问题中,Possion方程第一边值问题占据重要位置,五点差分格式等方法为我们提供了求解的方法。而在实际问题中,重调和方程的二阶边值问题也相当重要。于是,我们提出如下问题。
1.2 问题的提出
①重调和方程的二阶边值问题
(1)
其中是Laplace算子,是二维平面上的有限区域,是其光滑边界,a,b非负常数。
数值算列:
1. ,,使问题(1)存在精确解。
2. ,,问题(1)存在精确解u=ysinx+xsiny
分别取不同的a,b值计算,并且包括和两种情形。
②并将上面的方法推广应用到抛物型方程
数值算列,,
,使问题(11)-(14)存在精确解。
方法介绍
由于区域的不同,会导致算法格式的变化,所以这里为了说明更简单,我们固定区域为矩形区域。其他的一些区域,可由矩形区域变化而来,或者进一步讨论即可得到差分格式,我们这里不再讨论。
2.1 五点差分方法
考虑矩形区域Ω={0xa,0yb}上,二阶线性椭圆型方程
Lu≡=f,其中(x,y) ∈Ω ①
第一边值问题。假设矩形区域Ω网格剖分均匀:h1=a/M,h2=b/N。于是网域包含(M-1)*(N-1)个内点,且均为正则内点。
设(i,j)∈Ω,并且u(x,y)充分光滑,则沿着x和y方向分别用中心差商代替导数有
②
③
这里表示u(,)。
而qu和右端项f直接有
qu≡ ④,
f= ⑤
于是方程①在方程的(i,j)点被表示为:
当我们略去截断误差=,就可以得到五点差分格式:
⑥
其中
由方程⑥我们可以看到,点(i,j)与相邻的四个点(i-1,j)、(i+1,j)、(i,j+1)、(i,j-1)都有关系,于是称之为五点差分
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