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数值方法 第9章 常微分方程数值解 (下)
§3 单步法的收敛性稳定性
I)收敛性
解出:
数值求解微分方程初值问题解 ,总是要求
是的近似,对于Euler方法,我们推导了整体
截断误差。
满足
当时,有,我们注意到这个极限与
通常不同。
R中点
应该是不动的,当,如果用
那么这个极限过程当是同时的,
而仍固定,这样的极限可以记为
并称其为固定态极限(fixed station limit)
例如:
另一种情况
定义 设初值问题 ,对y满足
Lipschitz条件,如果单步方法
(*)
得到的解 ,对任,均有
则称单步法是收敛的
由收敛性可以推得,对于
整体截断误差
关于收敛性有:
定理 若初值问题的一个单步
方法
的局部截断误差为精确成立,
并且对y有Lipschitz条件:
单步法收敛并有
证明 根据收敛定义
因此必须估计
事实上,,即估计
仿Euler方法中整体截断误差的推导,可以插入项,
引入局部截断误差,局部截断误差有
由定理条件
这样递推下去有
取,并且
并有
具体例子
Euler方法:
由于对满足Lipschitz条件对
也满足Lipschitz条件。应用定,
理知Euler方法收敛。
Runge-Kutta方法,对R=2的改进Euler方法。
假定步长,取为
关于的Lipschitz常数
对于一般Runge-Kutta方法:
,
记
对满足Lipschitz条件
(为权应大于0)
于是,存在,当时有
对于
还可以取,使当时有
同样可得:
由此,取有
(收敛性证明中,,因此可取h充分小)
(II)相容性
收敛性定理中要求局部截断误差
若按变量在处作Taylor展开,那么有
,而,也就是说是
有界量
这相当于含h的项必为零,即
满足微分方程,由此有
定义 单步法 满足条件
则称单步法与微分方程初值问题
是相容的。
事实上,相容的方法必有
相容方法至少是一阶的。
,则单步法是相容的
相容单步法,若对满足
Lipschitz条件方法收敛
即
移次来看:
令 时。
即计算格式趋微分方程。相容本质的意义在于
“差分格式”收敛于“微分方程”。
(III)稳定性(绝对稳定性)
用单步法
在求解时,舍入误差是不可避免的。稳定性就是研究舍入
误差传播问题,当求解过程中舍入误不增长,则称该
数值方法是稳定的。
设是带舍入误差的值,而是单步法精确计算
而得的准确值。
即
在之间
为使舍入误差不增长,则应有
由于与有关,所以稳定性与方程(微分)右端项
有关,为了测试某个方法的稳定性,一般把该数值
方法用于一个“模型方程”(试验方程)
,(为复数,
其解析解,来考察其方法稳定性
选择模型方程原因。
讨论方便,如果对这样简单方程不稳定,
那么复杂方程也不稳定
一般方程可局部化讨论
先考虑Euler方法用
相应误差方程
可以看,误差方程与原来单步法一致,这是模型方程
是常系数线性方程而得到的,因此用于模型方程,
仅考虑的增长与误差增长是一样。
即
对于一般单步法用于模型方程,可以写成
依赖于方法选取,Euler方法;
先考虑一下的性态
令 有误差
有误差有误差。
有误差
有误差
如果很大,产生不稳定,由此给出定义
定义 单步方法 解模型
问题 ,若得到的解
,满足,
则称单步法是绝对稳定的。
在复平面中,满足的区域,称为单步法的
绝稳定区域,它与实轴的交称为绝对稳定区间。
对于每个方法
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