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第四讲 有限差分法稳定性分析第四讲 有限差分法稳定性分析4.1 Fourier 方法 ( 或Von Neumann方法 )4.2 直接方法(或矩阵方法)4.3 Hirt 启示法4.4 能量分析法(或范数法)4.5 数值算例4.1 Fourier 方法 ( 或Von Neumann方法 )Fourier 方法判别准则算例4.1 Fourier 方法 ( 或Von Neumann方法 )Fourier 方法判别准则算例Fourier 方法以一维线性平流方程初值问题(4.1.1)的两层显式差分格式(时间向前差,空间向后差)(4.1.2)为例介绍该方法,其中 为网格比。Fourier 方法以一维线性平流方程初值问题(4.1.1)的两层显式差分格式(时间向前差,空间向后差)(4.1.2)为例介绍该方法,其中 为网格比。扩充离散函数定义域 差分格式(4.1.2)的解 及初值 只是在网格点上有意义。为了应用 Fourier方法,必须扩充这些函数的定义域,令(4.1.2)式中第一个方程可以写为:(4.1.3)Fourier 积分变换(4.1.3)对上式应用 Fourier 积分:由此得出:推广到一般形式的差分格式(限于常系数情形):上式中因子 称为增长因子。(4.1.2)由此得出:推广到一般形式的差分格式(限于常系数情形):上式中因子 称为增长因子。(4.1.2)令由此得出:(4.1.2)为推广到一般形式的差分格式(限于常系数情形):即:上式中因子 称为增长因子。Fourier 方法对于二层差分格式(4.1.4)令(4.1.5)若(4.1.4)可写为(4.1.6)上式中因子 称为增长因子(或增幅因子,放大因子等)。Fourier 方法对于二层差分格式(4.1.4)令(4.1.5)若(4.1.4)可写为(4.1.6)上式中因子 称为增长因子(或增幅因子,放大因子等)。上述概念同样适用于差分方程组的情形。例如当时,则令 ,即此时,(4.1.6)中的 为二阶矩阵,称为增长矩阵。Fourier 方法对于二层差分格式(4.1.4)令(4.1.5)若(4.1.4)可写为(4.1.6)上式中因子 称为增长因子(或增幅因子,放大因子等)。上述概念同样适用于差分方程组的情形。例如当时,则令 ,即此时,(4.1.6)中的 为二阶矩阵,称为增长矩阵。 从物理角度,(4.1.5) 式也可理解为将 表示为其谐波分量的形式,其中, 为振幅, 为波数, 为波长,。4.1 Fourier 方法 ( 或Von Neumann方法 )Fourier 方法判别准则算例判别准则对于二层差分格式(4.1.4)令(4.1.5)若(4.1.4)可写为(4.1.6)上式中因子 称为增长因子(或增幅因子,放大因子等)。 差分格式 (4.1.4) 稳定的充分必要条件是存在常数 , ,使得当 时,对所有的 ,有其中的矩阵范数可用任何一种范数。 下面不加证明地给出用增长因子判定差分格式(4.1.4)稳定性的一系列判定定理。Von Neumann 条件对于二层差分格式(4.1.4)令(4.1.5)若(4.1.4)可写为(4.1.6)上式中因子 称为增长因子(或增幅因子,放大因子等)。Von Neumann 条件对于二层差分格式(4.1.4)令(4.1.5)若(4.1.4)可写为(4.1.6)上式中因子 称为增长因子(或增幅因子,放大因子等)。 定理 4.1 差分格式 (4.1.4) 稳定的必要条件是存在常数 , 使得当 时,对所有的 ,有(4.1.7)其中 为 p 阶矩阵 的特征值。 条件 (4.1.7) 称为 Von Neumann 条件,其重要性在于,很多情况下,这个条件也是稳定性的充分条件。 设 n 阶方阵 A, 为其共轭转置矩阵,如果 ,则 A 称为正规矩阵。对于正规矩阵 A,有 ,即 A 的 2-范数等于其谱半径。正规矩阵 设 A 是n × n矩阵,λi 是其特征值,i = 1,2,……,n。称 ρ(A)=max{|λi|, i=1, 2,……, n} 为 A 的/view/1247911.htm谱半径。即矩阵 A 的谱半径等于矩阵 A 的特征值的模的最大值;若特征值为/subview/1302/1302.htm虚数,则谱半径为实部与/subview/2441262/2441262.htm虚部的/subview/1457226/1457226.htm平方
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