Часовой пояс: UTC + 3 часа [ Летнее время ]

Принципы построения разностных схем для уравнений в частных производных
Онлайн-сервисы Нахождение НОД и НОК Разложение числа на простые множители Сравнения по модулю Операции над множествами Операции над векторами Разложение вектора по базису. Доказательство, что векторы образуют базис Чертёж треугольника по координатам вершин Решение треугольника Решение Пирамиды Построение Пирамиды по координатам вершин Чертёж многоугольника по координатам вершин Решение систем методом Крамера и Матричным Онлайн построение графика кривой 2-го порядка Определение вида кривой или поверхности 2-го порядка по инвариантам МНК и регрессионный анализ Онлайн + графики Онлайн число, сумма и дата прописью Алгоритмы JavaScript Алгоритмы поиска Алгоритмы сортировки Уникальные элементы массива Объединение, пересечение и разность массивов НОД и НОК Операции над матрицами Дата прописью Введение в анализ Функции: понятие, определение, графики Непрерывность функции Исследование функции и построение графика Теория множеств Множества: понятие, определение, примеры Точечные множества Замкнутые и открытые множества Мера множества Группы, кольца, поля в математике Поле комплексных чисел Кольцо многочленов Основная теорема алгебры и ее следствия Математическая логика Алгебра высказываний Аксиоматика и логические рассуждения Методы доказательств теорем Алгебра высказываний и операции над ними Формулы алгебры высказываний Тавтологии алгебры высказываний Логическая равносильность формул Нормальные формы для формул высказываний Логическое следование формул Приложение алгебры высказываний для теорем Дедуктивные и индуктивные умозаключения Решение логических задач Принцип полной дизъюнкции Булевы функции Множества, отношения и функции в логике Булевы функции от одного и двух аргументов Булевы функции от n аргументов Системы булевых функций Применение булевых функций к релейно-контактным схемам Релейно-контактные схемы в ЭВМ Практическое применение булевых функций Теория формального Формализованное исчисление высказываний Полнота и другие свойства формализованного исчисления высказываний Независимость системы аксиом формализованного исчисления высказываний Логика предикатов Логика предикатов Логические операции над предикатами Кванторные операции над предикатами Формулы логики предикатов Тавтологии логики предикатов Преобразования формул и следование их предикатов Проблемы разрешения для общезначимости и выполнимости формул Применение логики предикатов в математике Строение математических теорем Аристотелева силлогистика и методы рассуждений Принцип полной дизъюнкции в предикатной форме Метод полной математической индукции Необходимые и достаточные условия Логика предикатов и алгебра множеств Формализованное исчисление предикатов Неформальные и формаль- ные аксиоматические теории Неформальные аксиоматические теории Свойства аксиоматических теорий Формальные аксиоматические теории Формализация теории аристотелевых силлогизмов Свойства формализованного исчисления предикатов Формальные теории первого порядка Формализация математической теории Теория алгоритмов Интуитивное представление об алгоритмах Машины Тьюринга и тезис Рекурсивные функции Нормальные алгоритмы Маркова Разрешимость и перечислимость множеств Неразрешимые алгоритмические проблемы Теорема Гёделя о неполноте формальной арифметики Математическая логика и компьютеры Математическая логика и языки программирования Применение компьютеров для доказательства теорем математической логики Математическая логика и логическое программирование Математическая логика и информатика Математическая логика и искусственный интеллект Дискретная математика Множества и отношения Теория множеств: понятия и определения Операции над множествами Кортеж и декартово произведение множеств Соответствия и бинарные отношения на множествах Операции над соответствиями на множествах Семейства множеств Специальные свойства бинарных отношений Отношения эквивалентности на множестве Упорядоченные множества Теорема о неподвижной точке Мощность множества Парадокс Рассела Метод характеристических функций Группы и кольца Алгебраические структуры и операции Группоиды, полугруппы, группы Кольца, тела, поля Области целостности в теории колец Модули и линейные пространства Подгруппы и подкольца Теорема Лагранжа о порядке конечной группы Гомоморфизмы групп и нормальные делители Гомоморфизмы и изоморфизмы колец Алгебра кватернионов Полукольца и булевы алгебры Полукольца: определение, аксиомы, примеры Замкнутые полукольца Полукольца и системы линейных уравнений Булевы алгебры и полукольца Решетки и полурешетки Алгебраические системы Алгебраические системы: модели и алгебры Подсистемы алгебраических систем Конгруэнции и фактор-системы Гомоморфизмы алгебраических систем Прямые произведения алгебраических систем Конечные булевы алгебры Многосортные алгебры Теория графов Теория графов: основные понятия и определения Способы представления графов Неориентированные и ориентированные деревья Остовное дерево и алгоритм Краскала Методы систематического обхода вершин графа Алгоритмы поиска в глубину и ширину в графах Задача о путях во взвешенных ориентированных графах Изоморфизм, гомоморфизм и автоморфизм графов Топологическая сортировка вершин графа Элементы цикломатики в теории графов Булева алгебра и функции Булевы функции и булев куб Таблицы булевых функций и булев оператор Равенство булевых функций. Фиктивные переменные Формулы и суперпозиции булевых функций Дизъюнктивные и конъюнктивные нормальные формы Построение минимальных ДНФ Теорема Поста и классы Критерий Поста Схемы из функциональных элементов Конечные автоматы и регулярные языки Конечные автоматы и регулярные языки Алфавит, слово, язык в программировании Порождающие грамматики (грамматики Хомского) Классификация грамматик и языков Регулярные языки и регулярные выражения Конечные автоматы Допустимость языка конечным автоматом Теорема Клини Детерминизация конечных автоматов Минимизация конечных автоматов Лемма о разрастании для регулярных языков Обоснование алгоритма детерминизации автоматов Конечные автоматы с выходом Морфизмы и конечные подстановки Машины Тьюринга Контекстно-свободные языки Контекстно-свободные языки и грамматики Приведенная форма КС-грамматики Лемма о разрастании для КС-языков Магазинные автоматы (автомат с магазинной памятью) Алгоритм построения МП-автомата по КС-грамматике Алгоритм построения КС-грамматики по МП-автомату Алгебраические свойства КС-языков Основное свойство суперпозиции КС-языков Пересечение контекстно-свободных языков Методы синтаксического анализа КС-языков Восходящий синтаксический анализ и LR(k)-грамматики Семантика формальных языков Принцип индукции по неподвижной точке Графовое представление МП-автоматов Интегральное исчисление Неопределённый и определённый Неопределенный и определенный интегралы Свойства интегралов Интегрирование по частям Интегрирование методом замены переменной Интегрирование различных рациональных функций Интегрирование различных иррациональных функций Интегрирование различных тригонометрических функций Определенный интеграл и его основные свойства Необходимое и достаточное условие интегрируемости Теоремы существования первообразной Свойства определенных интегралов Несобственные интегралы Интегральное определение логарифмической функции Приложения интегралов Вычисление площадей плоских фигур Площади фигур в различных координатах Вычисление объемов тел с помощью интегралов Объём тела вращения Вычисление длин дуг кривых Формулы длины дуги регулярной кривой Кривизна плоской кривой Площадь поверхности вращения тела Интегралы в физике Статические моменты и координаты центра тяжести Теоремы Гульдина–Паппа Вычисление моментов инерции Другие приложения интегралов в физике Основные интегралы Интеграл Ньютона-Лейбница Интеграл Римана Интеграл Лебега Вариационное исчисление Примеры вариационных задач Дифференциальное уравнение Эйлера Функционалы, зависящие от нескольких функций Задача о минимуме кратного интеграла Финансовый анализ Анализ эффективности Критерии и показатели эффективности предприятия Методы анализа эффективности деятельности Факторный анализ прибыли от операционной деятельности Анализ безубыточности предприятия Операционный рычаг и эффект финансового рычага Анализ и оценка состава, структуры и динамики доходов и расходов Анализ рентабельности и резервов устойчивого роста капитала Анализ распределения прибыли предприятия Анализ и оценка чувствительности показателей эффективности Анализ устойчивости Финансовая устойчивость и долгосрочная платежеспособность Характеристика типов финансовой устойчивости Рыночная активность Финансовый анализ рыночной активности Методика анализа рыночной активности Анализ и оценка дивидендного дохода на одну акцию Инвестиционная деятельность Инвестиции: экономическая сущность и классификация Государственное регулирование инвестиционной деятельности Источники финансовых ресурсов на капитальные вложения Инвестиции в основные фонды Оценка состояния основных фондов Амортизация основных фондов Капитальное строительство в инвестиционном процессе Планирование инвестиций в форме капитальных вложений Экономическая эффективность инвестиций Финансирование капитальных вложений Кредитование капитальных вложений Кредитоспособность Финансирование и кредитование затрат Финансирование и кредитование инвестиционной деятельности потребительской кооперации Финансирование и кредитование капитальных вложений потребительской кооперации Инвестиционное строительное проектирование Анализ инвестиций Инвестиции и инвестиционная деятельность предприятия Задачи финансового анализа инвестиций предприятия Учет фактора времени в инвестиционной деятельности Аннуитет и финансовая рента в инвестициях Учет фактора инфляции при инвестировании Оценка фактора риска инвестиционного проекта Методы оценки эффективности инвестиций Показатели эффективности инвестиционного проекта Стоимость компании Концепция построения международных стандартов финансовой отчетности (МСФО) Экономическое содержание международных стандартов финансовой отчётности Цели и принципы оценки стоимости акций и активов компании Оценка акций и активов предприятия по справедливой стоимости Методы оценки справедливой стоимости акций предприятия Затратный подход к оценки стоимости компаний и акций Сравнительный подход к оценки стоимости предприятий и акций Доходный подход к оценке стоимости компании и акций Выбор ставки дисконтирования при инвестировании в акции Метод капитализации прибыли Сравнение подходов к оценке стоимости компаний и пакетов акций Форвардные контракты Форвардный контракт и цена Форвардная цена акции на бирже Цена форвардного контракта инвестора Форвардная цена акции с учетом величины дивиденда Форвардная цена акции с учетом ставки дивиденда Форвардная цена валюты на рынке форекс Форвардный валютный курс и инфляция на рынке Форвардная цена товара и спотовый рынок Форвардная цена при различии ставок по кредитам и депозитам Синтетический форвардный контракт на акции и валюту Теория вероятностей Основные понятия теории вероятностей Зависимые и независимые случайные события Повторные независимые испытания Формула Бернулли Одномерные случайные величины Многомерные случайные величины Функции случайных величин Законы распределения целочисленных случайных величин Законы распределения непрерывных случайных величин Предельные теоремы теории вероятностей Закон больших чисел и предельные теоремы Вероятностные закономерности Математическая статистика Элементы математической статистики Выборочный метод Оценки параметров генеральной совокупности Статистические гипотезы Критерии согласия Теоретические и эмпирические частоты Теория очередей (СМО) Определение системы массового обслуживания Уравнения Колмогорова Предельные вероятности состояний Определение СМО с отказами Определение СМО с ожиданием (очередью) Аналитическая геометрия Векторная алгебра Метрические понятия и аксиомы геометрии Равенство и подобие геометрических фигур Бинарные отношения Вектор, его направление и длина Линейные операции над векторами Линейная зависимость и независимость векторов Отношение коллинеарных векторов Проекции векторов на прямую и на плоскость Угол между векторами Ортогональные проекции векторов Координата вектора на прямой и базис Координаты вектора на плоскости и базис Координаты вектора в пространстве и базис Операции над векторами в координатной форме Ортогональный и ортонормированный базисы Cкалярное произведение векторов и его свойства Выражение скалярного произведения через координаты векторов Векторное произведение векторов и его свойства Смешанное произведение векторов и его свойства Ориентированные площади и объемы Двойное векторное произведение и его свойства Применение векторов в задачах на аффинные свойства фигур Применение произведений векторов при решении геометрических задач Применение векторной алгебры в механике Системы координат Прямоугольные координаты Преобразования прямоугольных координат Полярная система координат Цилиндрическая система координат Сферические координаты Аффинные координаты Аффинные преобразования координат Аффинные преобразования плоскости Примеры аффинных преобразований плоскости Аффинные преобразования пространства Многомерное координатное пространство Линейные и аффинные подпространства Скалярное произведение n-мерных векторов Преобразования систем координат Геометрия на плоскости Алгебраические линии на плоскости Общие уравнения геометрических мест точек Алгебраические уравнения линий на плоскости Уравнения прямой, проходящей через точку перпендикулярно вектору Уравнения прямой, проходящей через точку коллинеарно вектору Уравнения прямой, проходящей через две точки Уравнения прямой с угловым коэффициентом Взаимное расположение прямых Примеры задач с прямыми на плоскости Системы неравенств с двумя неизвестными Системы линейных уравнений с двумя неизвестными Линии 2-го порядка Канонические уравнения линий второго порядка Порядок приведения уравнения линии к каноническому виду Эллипс Гипербола Парабола Квадратичные неравенства с двумя неизвестными Применение линий 1-го и 2-го порядков в задачах на экстремум функций Инварианты линий Классификация линий 2-го порядка по инвариантам Приведение уравнения линии к каноническому виду по инвариантам Геометрия в пространстве Способы задания ГМТ в пространстве Алгебраические уравнения поверхностей Уравнения плоскости, проходящей через точку перпендикулярно вектору Уравнения плоскости, компланарной двум неколлинеарным векторам Уравнения плоскости, проходящей через три точки Взаимное расположение плоскостей Типовые задачи с плоскостями Уравнения прямых в пространстве Взаимное расположение прямых в пространстве Типовые задачи с прямыми в пространстве Поверхности 2-го порядка Канонические уравнения поверхностей Порядок приведения уравнения поверхности к каноническому виду Поверхности второго порядка Эллипсоиды Гиперболоиды Конусы Параболоиды Применение поверхностей 1-го и 2-го порядков в задачах на экстремум функций Инварианты поверхностей Классификация поверхностей 2-го порядка по инвариантам Квадратичные неравенства с тремя неизвестными Приведение уравнения поверхности к канониче-скому виду по инвариантам Линейная алгебра Матрицы и операции Линейные операции над матрицами Умножение матриц Возведение матриц в степень Многочлены от матриц Транспонирование и сопряжение матриц Блочные матрицы Произведение и сумма матриц Кронекера Метод Гаусса приведения матрицы к ступенчатому виду Элементарные преобразования матриц Определители Определители матриц и их основные свойства Формула полного разложения определителя Формула Лапласа полного разложения определителя Определитель произведения матриц Методы вычисления определителей Ранг матрицы Линейная зависимость и линейная независимость строк (столбцов) матрицы Ранг матрицы и базисный минор матрицы Методы вычисления ранга матрицы Ранг системы столбцов (строк) Обратная матрица Обратные матрицы и их свойства Ортогональные и унитарные матрицы Способы нахождения обратной матрицы Матричные уравнения Односторонние обратные матрицы Скелетное разложение матрицы Полуобратная матрица Псевдообратная матрица Системы уравнений Системы линейных алгебраических уравнений Метод Гаусса решения систем линейных уравнений Структура общего решения системы уравнений Решение систем с помощью полуобратных матриц Псевдорешения системы линейных уравнений Функциональные матрицы Функциональные матрицы скалярного аргумента Производные матриц по векторному аргументу Линейные и квадратичные формы и их преобразования Приведение форм к каноническому виду Закон инерции вещественных квадратичных форм Знакоопределенность форм вещественных квадратичных Формы и исследование функций на экстремум Многочленные матрицы Многочленные матрицы (лямбда-матрицы) Операции над лямбда-матрицами Простые преобразования многочленных матриц Инвариантные множители многочленной матрицы Функции от матриц Собственные векторы и значения матрицы Подобие числовых матриц Характеристический многочлен матрицы Минимальный многочлен матрицы Теорема Гамильтона-Кэли Жорданова форма матрицы Приведение матрицы к жордановой форме Многочлены от матриц Применение многочленов от матриц Функции от матриц Линейные пространства Линейные пространства: определение и примеры Линейная зависимость и независимость n-мерных векторов Размерность и базис линейного пространства Преобразования координат в линейном пространстве Изоморфизм линейных пространств Подпространства Подпространства линейного пространства Пересечение и сумма подпространств Способы описания подпространств Нахождение дополнения и суммы подпространств Нахождение пересечения подпространств Линейные отображения Линейные многообразия Линейные отображения Матрица линейного отображения Ядро и образ линейного отображения Линейные операторы Линейные операторы (преобразования) Инвариантные подпространства Собственные векторы и значения оператора Свойства собственных векторов операторов Канонический вид линейного оператора Методика приведения линейного преобразования к каноническому виду Евклидовы пространства Евклидовы пространства Ортогональные векторы евклидова пространства Ортогональный базис евклидова пространства Ортонормированный базис евклидова пространства Ортогональные дополнения в евклидовом пространстве Задача о перпендикуляре Матрица и определитель Грама и его свойства Линейные преобразования евклидовых пространств Канонический вид ортогонального оператора евклидова пространства Сопряженные операторы евклидова пространства Самосопряженные операторы евклидова пространства Приведение квадратичной формы к главным осям Унитарные пространства и их линейные преобразования Комплексный анализ Комплексные числа Комплексные числа в алгебраической форме Комплексные числа в тригонометрической и показательной формах Множества на комплексной плоскости Последовательности и ряды комплексных чисел Комплексные функции Функции комплексного переменного. Предел, непрерывность и производная Элементарные функции комплексного переменного Дифференцирование функций комплексного переменного Аналитические функции и их свойства Конформные отображения и их свойства Интегрирование функций комплексного переменного Функциональные ряды в комплексной области Функциональные ряды и последовательности Степенные ряды и их свойства Разложение функций в степенные ряды Нули аналитических функций Ряд Лорана и разложение функций по целым степеням Особые точки, Вычеты Изолированные особые точки функций и полюсы Вычеты и их применение Вычисление интегралов с помощью вычетов Вычеты и расположение нулей многочлена Операционное исчисление Преобразование Лапласа и его свойства Решение ДУ операционным методом Анализ выходных процессов линейных стационарных систем Z-преобразование и его свойства Дифференциальные уравнения ДУ первого порядка Основные понятия и определения ДУ Метод изоклин для ДУ 1-го порядка Метод последовательных приближений ДУ с разделяющимися переменными Однородные ДУ Линейные ДУ 1-го порядка Дифференциальное уравнение Бернулли ДУ в полных дифференциалах Интегрирующий множитель ДУ, не разрешенные относительно производной Дифференциальное уравнение Риккати Составление ДУ семейств линий Задачи на траектории Особые решения ДУ ДУ высших порядков Понятия и определения ДУ высших порядков ДУ, допускающие понижение порядка Линейная независимость функций Определители Вронского и Грама Однородные и неоднородные дифференциальные уравнения Задача Коши и Уравнение Эйлера Линейные ДУ с переменными коэффициентами Метод Лагранжа решения ДУ Краевые задачи для ДУ высших порядков Разложение решения ДУ в степенной ряд Разложение решения ДУ в обобщенный степенной ряд Нахождение периодических решений ДУ Асимптотическое интегрирование ДУ Системы ДУ Системы ДУ: понятия и определения Сведение системы ДУ к одному уравнению Нахождение интегрируемых комбинаций Интегрирование однородных линейных систем ДУ Методы интегрирования неоднородных систем ДУ Преобразование Лапласа и решение ДУ и систем Теория устойчивости Устойчивость решений ДУ по Ляпунову Простейшие типы точек покоя Метод функций Ляпунова Устойчивость решений ДУ по первому приближению Критерии устойчивости Рауса–Гурвица и Михайлова ДУ с малым параметром при производной Численные методы Методы алгебры Численные методы линейной алгебры Численные методы решения СЛАУ Итерационный метод Шульца обратной матрицы Методы решения задач о собственных значениях и векторах матрицы Методы решения нелинейных уравнений Методы решения систем нелинейных уравнений Методы теории приближений Методы приближения сеточных функций Методы функциональной интерполяции Методы интегрально-дифференциальной интерполяции Методы интегрального сглаживания Методы интерполяции и сглаживания сплайнами Методы численного дифференцирования и интегрирования Методы численного дифференцирования Методы численного интегрирования Методы решения обыкновенных ДУ Численные методы решения задачи Коши Разностные схемы для решения задачи Коши Составные схемы для решения задачи Коши Экстраполяционные методы решения задачи Коши Непрерывно-дискретные методы решения задачи Коши Численные методы решения краевых задач Методы решения ДУ в частных производных Численные методы решения уравнений математической физики с двумя переменными Принципы построения разностных схем для уравнений в частных производных Разностные схемы решения уравнений в частных производных 1-го порядка Разностные схемы решения уравнений в частных производных 2-го порядка Численные методы решения уравнений в частных производных Численные методы решения уравнений математической физики с тремя переменными	Принципы построения разностных схем для уравнений в частных производных Точное решение задач математической физики (в виде явных формул, рядов и т.п.) можно найти только в редких случаях. Среди приближенных методов, в результате применения которых получается приближенное (не точное) решение, представляемое таблицей чисел, наибольшее распространение получили разностные методы (методы сеток). Сущность разностных методов состоит в том, что исходная область изменения независимых переменных заменяется дискретным множеством точек — сеткой, а производные, входящие в уравнение, аппроксимируются на этой сетке разностными соотношениями. В результате исходная линейная задача заменяется системой конечного числа линейных алгебраических уравнений, называемой разностной схемой (задачей). Аналогично исходная нелинейная задача заменяется нелинейной разностной схемой. За приближенное решение исходной задачи принимается решение разностной схемы. Точность приближения зависит от способа аппроксимации и от густоты сетки, т.е. от того, насколько плотно сетка заполняет исходную область. Рассмотрим общую запись постановок линейных задач, описанных ранее. Пусть дана исходная (дифференциальная) задача в виде $\mathcal{L}\,u=f,$ (8.9) где ${u}$ — искомая функция, определенная на множестве $\overline{D}= D\cup \gamma;~ D$ — область пространства независимых переменных с границей $\Gamma;~f$ — заданная функция, $\mathcal{L}$ — линейный дифференциальный оператор. Предполагается, что все производные, входящие в дифференциальное уравнение, перенесены в левую часть, а остальные функции образуют правую часть; дополнительные условия (начальные и краевые) также включены в оператор $\mathcal{L}$ и правую часть $f$ . Например, начально-краевая задача для уравнения переноса (8.5) запишется в виде (8.9), если положить $\mathcal{L}\,u= \begin{cases}u_t+u_x,& 0<x<L,~ 0<t<T,\\ u(x,0),& 0 \leqslant x \leqslant L,\\ u(0,t),& 0<t \leqslant T;\end{cases}\quad f=\begin{cases}0,& 0<x<L,~ 0<t<T,\\ \psi(x),& 0 \leqslant x \leqslant L,\\ \varphi(t),& 0<t \leqslant T.\end{cases}$ Для численного решения задачи вводится сетка $D_h=\{M_k\}$ — конечное множество точек $M_h$ (узлов сетки), принадлежащих $\overline{D}$ , плотность размещения которых характеризуется параметром $h$ — шагом сетки. В общем случае $h$ — вектор, компонентами которого являются шаги по всем независимым переменным решаемой задачи, с длиной $\|h\|$ . Обычно сетка задается так, что при $\|h\|\to0$ множество $D_h$ стремится заполнить множество $\overline{D}= D\cup \Gamma$ . Для определенности далее рассматривается некоторая дифференциальная задача с двумя независимыми переменными $x$ и $t$ . Для простоты изложения будем предполагать, что множество $D$ представляет собой прямоугольник длины $L$ и высоты $T$ , ограниченный отрезками прямых, параллельных осям $Ox$ и $Ot$ (рис. 8.3), т.е. задана двумерная прямоугольная сетка $D_h= \{x_i, t^n\}$ , где $x_{i}=ih,~ 0 \leqslant i \leqslant I;$ $t^n=n\tau,~ 0 \leqslant n \leqslant N;$ $N,\,I$ — целые положительные числа; $h,\,\tau$ — величины шагов по пространству и времени (для простоты принимаются постоянными); $I\,h=L,~ N\,\tau=T$ . Такая сетка называется равномерной (регулярной). Здесь можно положить $\|h\|= \sqrt{h^2+\tau^2}$ или $\|h\|= \sqrt{h^2+\tau}$ . Узлы, принадлежащие промежуткам $\{0 \leqslant x \leqslant L,\, t=0\},$ $\{x=0,\, 0 \leqslant t \leqslant T\},$ $\{x=L,\, 0 \leqslant t \leqslant T\},$ $\{t=T,\, 0<x<T\}$ , называются граничными, а остальные -внутренними. Слоем $\{x_{i},t^n\},~ i=0,\ldots,I-1$ называется множество всех узлов сетки, имеющих одну и ту же временную координату $t^n$ . Функции, определенные в точках сетки $D_{h}$ , называются сеточными. Введем сеточную функцию $u_{h}= \bigl\{u_{i}^n= u(x_{i}, t^n),\, 0 \leqslant i \leqslant I,\, 0 \leqslant n \leqslant N\bigr\}$ , которая является сеточным представлением решения исходной (дифференциальной) задачи или точным решением дифференциальной задачи в узлах сетки. Как правило, вычислить uh не удается, поэтому находят другую сеточную функцию $\widehat{u}_h\cong u_h$ приближенно совпадающую с точным решением в узлах сетки. Она вычисляется как решение разностной схемы $\mathcal{L}_h\, \widehat{u}_h=f_h,$ (8.10) в некотором смысле соответствующей задаче (8.9). Здесь $\mathcal{L}_h$ — разностный оператор, аппроксимирующий линейный дифференциальный оператор $\mathcal{L}$ (он формируется в результате аппроксимации частных производных, входящих в $\mathcal{L}$ , соответствующими конечно-разностными соотношениями); $f_h$ — сеточная функция, возникающая в результате замены правой части уравнения (8.9) значениями в узлах сетки. Таким образом, под разностной схемой понимается совокупность разностных уравнений, аппроксимирующих основное дифференциальное уравнение во всех внутренних узлах сетки и дополнительные условия (начальные и краевые) — в граничных узлах. Разностную схему по аналогии с дифференциальной задачей будем называть разностной задачей. Обозначим линейное нормированное пространство, образованное совокупностью функций $\widehat{u}_h$ , определенных на $D_h$ , через $U_h$ , а пространство, образованное совокупностью функций $f_h$ , через $F_h$ . Пусть в этих пространствах введены нормы $\\|\cdot\\|_{U_h},\\|\cdot\\|_{F_h}$ . Если при $\|h\|\to0$ выполняется условие $\bigl\\|\widehat{u}_h-u_h\bigr\\|_{U_h}\to0,$ (8.11) то решение разностной задачи сходится к решению дифференциальной, а разностная схема называется сходящейся. Если существуют такие постоянные $p>0,~ C>0$ , не зависящие от $\|h\|$ , что выполняется неравенство $\bigl\\|\widehat{u}_h-u_h\bigr\\|_{U_h} \leqslant C\,\|h\|^p$ , то схема имеет p-й порядок сходимости (порядок точности). Как указано выше, основной идеей разностных методов является преобразование дифференциальной задачи к разностной задаче для нахождения сеточного решения, в некотором смысле близкого к точному решению. Функция $\delta f_h$ в выражении $\mathcal{L}_hu_h= f_h+\delta f_h$ , получающаяся в результате подстановки сеточного представления $u_h$ в разностную схему (8.10), называется погрешностью аппроксимации. Разностная задача (8.10) аппроксимирует дифференциальную задачу (8.9) на решении $u(x,t)$ , если $\\|\delta f_h\\|_{F_h}\to0$ при $\|h\|\to0$ . Если существуют такие постоянные $k>0,\, M>0$ , не зависящие от $\|h\|$ , что выполняется неравенство $\\|\delta f_h\\|_{F_h}\leqslant M\cdot \|h\|^k,$ (8.12) то разностная схема имеет k-й порядок аппроксимации. Одновременное выполнение условия $\\|\delta f_h\\|_{F_h}= O(\tau^p+ h^q)$ означает, что схема имеет p-й порядок аппроксимации по времени и q-й по пространству. В случае трех независимых переменных аналогичное условие имеет вид $\\|\delta f_h\\|_{F_h}= O(\tau^p+ h_x^q+ h_y^r)$ . Разностная схема называется устойчивой, если существует постоянная $K>0$ , не зависящая от $\|h\|$ , что при любых $f_h\in F_h$ справедливы условия: 1) разностная схема (8.10) имеет единственное решение; 2) $\\|\widehat{u}_h\\|_{U_h} \leqslant K\cdot \\|f_h\\|_{F_h}$ . Замечания 1. Свойство устойчивости какой-либо задачи означает, что при небольшом изменении исходных данных решение изменяется мало. Таким образом, для исследования устойчивости необходимо рассматривать уравнение, которому удовлетворяет погрешность, возникающая в результате возмущения исходных данных. Однако в случае линейного оператора структура уравнения для погрешности та же, что и исходного уравнения (8.9). Действительно, рассмотрим уравнение $\mathcal{L}_h \widehat{z}_h= \widetilde{f}_h$ , отличающееся от (8.10) правой частью. Вычитая его из (8.10), получаем уравнение $\mathcal{L}_h \varepsilon_h= \delta f_h$ , описывающее изменение пофешности $\varepsilon_h= \widehat{u}_h-\widehat{z}_h$ в силу наличия возмущения $\delta f_n=f_h-\widetilde{f}_h$ , правой части. Тогда если выполнено условие 2) определения устойчивости, то одновременно $\\|\varepsilon_h\\|_{U_h} \leqslant K\,\\|\delta f_h\\|_{F_k}$ и, следовательно, $\\|\varepsilon_h\\|_{U_h}\to 0$ при $\\|\delta f_h\\|_{F_k}\to 0$ . Это означает, что задача устойчива. 2. Свойство устойчивости связано с понятием норм, вводимых в пространствах $U_h,\,F_h$ . Возможны случаи, когда условие 2) будет выполняться для одних норм и не выполняться для других. Если это условие не выполняется ни при каком разумном выборе норм, то схема неустойчива. Разностные схемы, устойчивые при любом соотношении шагов $h$ и $\tau$ , называются абсолютно устойчивыми. Разностные схемы, неустойчивые при любом соотношении шагов $h$ и $\tau$ , называются абсолютно неустойчивыми. Разностные схемы, устойчивые лишь при некотором ограничении на отношение шагов по пространству и по времени, называются условно устойчивыми. Сходимость и устойчивость связаны теоремой, играющей основную роль при анализе разностных схем. Теорема. Пусть дифференциальная задача (8.9) поставлена корректно, разностная схема (8.10) устойчива, аппроксимирует дифференциальную задачу (8.9) и имеет k-й порядок аппроксимации. Тогда решение разностной задачи сходится к решению дифференциальной задачи, причем порядок точности совпадает с порядком аппроксимации. Установить устойчивость разностной схемы с использованием определения на практике затруднительно. Поэтому предложен ряд методов, позволяющих получить необходимые (иногда необходимые и достаточные) условия устойчивости разностных схем: спектральный признак устойчивости, метод гармоник Фурье, принцип максимума, метод операторных неравенств. В данной книге эти методы не рассматриваются. Схема называется явной, если оператор $\mathcal{L}$ аппроксимируется с использованием известных значений функции $\widehat{u}(x_{i},t^n)$ на n-м слое, а аппроксимирующее уравнение содержит только одно неизвестное значение функции на следующем (n+1)-м слое, которое нетрудно выразить явно. Схема называется неявной, если оператор аппроксимируется с использованием нескольких неизвестных значений искомой функции на (n+1) -м слое. Узлы сетки $D_h$ , значения в которых используются при аппроксимации оператора $\mathcal{L}$ , образуют шаблон. При изображении шаблона светлыми кружочками обозначаются узлы, соответствующие всем слоям с известными значениями функции, а зачерненными — узлы с неизвестными значениями функции, подлежащими определению. Шаблон, содержащий $p$ узлов, называется p-точечным. Получим некоторые разностные формулы для аппроксимации частных производных первого и второго порядков, входящих в уравнения видов (8.3),(8.4) и в соответствующие дифференциальные задачи, рассмотренные далее. Пусть имеется функция $u(x,y)$ , имеющая непрерывные производные по всем переменным до (k+1)-го порядка включительно. Выберем узел (xhtn) сетки $D_h$ . Сначала рассмотрим разности в направлении $x$ . Применим формулу Тейлора разложения функции $u(x,t^n)$ одной переменной $x$ в окрестности выбранного узла $(x_{i},t^n)$ . При $k=1$ имеем $u(x_{i}+h,t^n)= u(x_{i},t^n)+ u_x(x_{i},t^n)+ u_{xx}(\xi_1,t^n)\frac{h^2}{2},\quad \xi_1\in (x_{i},x_{i}+h),$ (8.13) $u(x_{i}-h,t^n)= u(x_{i},t^n)-u_x(x_{i},t^n)+ u_{xx}(\xi_2,t^n)\frac{h^2}{2},\quad \xi_2\in (x_{i}-h,x_{i}).$ (8.14) Из (8.13) следует $u_x(x_{i},t^n)= \frac{u(x_{i}+h,t^n)-u(x_{i},t^n)}{h}-u_{xx}(\xi_1,t^n)\frac{h}{2}$ . Очевидно, справедлива оценка $\left\|-u_{xx}(\xi_1,t^n)\frac{h}{2}\right\| \leqslant \frac{h}{2}\cdot \max_{x\in[x_{i},x_{i}+h]}\bigl\|u_{xx}(\xi_1,t^n)\bigr\|= \frac{h}{2}\cdot M_2,$ где $M_2= \max_{x\in[x_{i},x_{i}+h]}\bigl\|u_{xx}(\xi_1,t^n)\bigr\|$ . Отсюда получаем формулу (аппроксимационный оператор) $\widehat{u}_x(x_{i},t^n)= \frac{u(x_{i}+h,t^n)-u(x_{i},t^n)}{h}\,,\quad \left(\frac{h}{2}\,M_2\right)$ (8.15) которая аппроксимирует частную производную их с первым порядком аппроксимации на двухточечном шаблоне. Она называется правой разностью. Аналогично из (8.14) получается формула $\widehat{u}_x(x_{i},t^n)= \frac{u(x_{i},t^n)-u(x_{i}-h,t^n)}{h}\,,$ (8.16) также аппроксимирующая частную производную $u_x$ с первым порядком аппроксимации на двухточечном шаблоне. Она называется левой разностью. Получим еще одну формулу для аппроксимации частной производной их. При $k=2$ из формулы Тейлора (В. 16)–(В. 18) получаем $u(x_{i}+h,t^n)= u(x_{i},t^n)+ u_x(x_{i},t^n)h+ u_{xx}(x_{i},t^n)\frac{h^2}{2}+ u_{xxx}(\xi_1,t^n)\frac{h^3}{6}\,,~ \xi_1\in (x_{i},x_{i}+h),$ (8.17) $u(x_{i}-h,t^n)= u(x_{i},t^n)-u_x(x_{i},t^n)h+ u_{xx}(x_{i},t^n)\frac{h^2}{2}-u_{xxx}(\xi_2,t^n)\frac{h^3}{6}\,,~ \xi\in (x_{i}-h,x_{i}).$ (8.18) Вычитая (8.18) из (8.17), имеем $u(x_{i}+h,t^n)-u(x_{i}-h,t^n)= 2u_x(x_{i},t^n)h+ \bigl[u_{xxx}(\xi_1,t^n)+ u_{xxx}(\xi_2,t^n)\bigr] \frac{h^3}{6}\,.$ Но, согласно утверждению В.1, существует точка $\xi\in (x_{i}-h,x_{i}+h)$ , что $\frac{u_{xxx}(\xi_1,t^n)+ u_{xxx}(\xi_2,t^n)}{2}=u_{xxx}(\xi,t^n)$ . Поэтому $u_x(x_{i},t^n)= \frac{u(x_{i}+h,t^n)-u(x_{i}-h,t^n)}{2h}-u_{xxx}(\xi,t^n)\frac{h^2}{6},\quad \xi\in (x_{i}-h,x_{i}+h),$ или $\widehat{u}_x(x_{i},t^n)= \frac{u(x_{i}+h,t^n)-u(x_{i}-h,t^n)}{2h}\quad \left(\frac{h^2}{6}\,M_3\right)\!.$ (8.19) где $M_3= \max_{x\in [x_{i}-h,x_{i}+h]}\bigl\|u_{xxx}(\xi,t^n)\bigr\|$ . Эту формулу называют центральной разностью, которая аппроксимирует частную производную $u_x$ со вторым порядком аппроксимации на трехточечном шаблоне. Обозначая $u(x_{i},t^n)=u_{i}^n,$ $u(x_{i}+h,t^n)=u_{i+1}^n,$ $u(x_{i}-h,t^n)=u_{i-1}^n,$ перепишем (8.15), (8.16), (8.19) в форме $\widehat{u}_x(x_{i},t^n)= \frac{u_{i+1}^n-u_{i}^n}{h}\,,$ (8.20) $\widehat{u}_x(x_{i},t^n)= \frac{u_{i}^n-u_{i-1}^n}{h}\,,$ (8.21) $\widehat{u}_x(x_{i},t^n)= \frac{u_{i+1}^n-u_{i-1}^n}{h}\,.$ (8.22) Теперь получим формулы для аппроксимации производных второго порядка. При А: = 3 формула Тейлора (В. 16)–(В. 18) имеет вид $\begin{gathered}u(x_{i}+h,t^n)= u(x_{i},t^n)+ u_x(x_{i},t^n)h+ u_{xx}(x_{i},t^n) \frac{h^2}{2}+ u_{xxx}(x_{i},t^n) \frac{h^3}{6}+ u_{xxxx}(\xi_1,t^n) \frac{h^4}{24}\,,\\ \xi_1\in (x_{i},x_{i}+h),\end{gathered}$ (8.23) $\begin{gathered}u(x_{i}-h,t^n)= u(x_{i},t^n)-u_x(x_{i},t^n)h+ u_{xx}(x_{i},t^n) \frac{h^2}{2}-u_{xxx}(x_{i},t^n) \frac{h^3}{6}+ u_{xxxx}(\xi_2,t^n) \frac{h^4}{24}\,,\\ \xi_2\in (x_{i}-h, x_{i}),\end{gathered}$ (8.23) Сложим (8.23) и (8.24): $u(x_{i}+h,t^n)+u(x_{i}-h,t^n)= 2u(x_{i},t^n)+ u_{xx}(x_{i},t^n)h^2+ \bigl[u_{xxxx}(\xi_1, t^n)+ u_{xxxx}(\xi_2,t^n)\bigr] \frac{h^4}{24}\,.$ Поскольку, согласно утверждению В.1, $\frac{u_{xxxx}(\xi_1, t^n)+ u_{xxxx}(\xi_2,t^n)}{2}= u_{xxxx}(\xi, t^n)$ , где $\xi\in (x_{i}-h, x_{i}+h)$ , то перепишем полученное равенство в виде $u_{xx}(x_{i},t^n)= \frac{u(x_{i}+h,t^n)-2u(x_{i},t^n)+ u(x_{i}-h,t^n)}{h^2}-u_{xxxx}(\xi,t^n)\frac{h^2}{12}$ или окончательно $\widehat{u}_{xx}(x_{i},t^n)= \frac{u(x_{i}+h,t^n)-2u(x_{i},t^n)+ u(x_{i}-h,t^n)}{h^2}\quad \left(\frac{h^2}{12}\,M^4\right)\!,$ (8.25) где $M_4= \max_{x\in [x_{i}-h, x_{i}+h]} \bigl\|u_{xxxx}(x,t^n)\bigr\|$ . Формула (8.25), называемая центральной разностью второго порядка, аппроксимирует $u_{xx}$ со вторым порядком аппроксимации и может быть записана аналогично (8.20)–(8.22): $\widehat{u}_{xx}(x_{i},t^n)= \frac{u_{i+1}^n-2u_{i}^n+u_{i-1}^n}{h^2}\,.$ (8.26) Так же получаются разности в узле $(x_{i},t^n)$ в направлении $t\colon$ $\widehat{u}_{t}(x_{i},t^n)= \frac{u(x_{i},t^n+\tau)-u(x_{i},t^n)}{\tau},\qquad \widehat{u}_{t}(x_{i},t^n)= \frac{u_{i}^{n+1}-u_{i}^n}{\tau}\,,$ (8.27) $\widehat{u}_{t}(x_{i},t^n)= \frac{u(x_{i},t^n)-u(x_{i},t^n-\tau)}{\tau},\qquad \widehat{u}_{t}(x_{i},t^n)= \frac{u_{i}^{n}-u_{i}^{n-1}}{\tau}\,,$ (8.28) $\widehat{u}_{t}(x_{i},t^n)= \frac{u(x_{i},t^n+\tau)-u(x_{i},t^n-\tau)}{2\tau},\qquad \widehat{u}_{t}(x_{i},t^n)= \frac{u_{i}^{n+1}-u_{i}^{n-1}}{2\tau}\,,$ (8.29) $\widehat{u}_{tt}(x_{i},t^n)= \frac{u(x_{i},t^n+\tau)-2u(x_{i},t^n)+ u(x_{i},t^n-\tau)}{\tau^2},\quad \widehat{u}_{tt}(x_{i},t^n)= \frac{u_{i}^{n+1}-2u_{i}^n+u_{i}^{n-1}}{\tau^2}\,.$ (8.30) Формулы (8.27),(8.28) аппроксимируют производную $u_t$ с первым порядком аппроксимации, а (8.29),(8.30) аппроксимируют соответствующие производные со вторым порядком аппроксимации. Все вышеприведенные формулы записаны на n-м временном слое. При необходимости (например, при конструировании неявных схем) вместо n-го используется (n+1)-й и (n-1)-й временные слои. Теперь получим выражения для аппроксимации смешанной производной. Применим (8.27) к оператору, заданному (8.15): $\begin{aligned}\frac{\partial }{\partial t}\! \left(\frac{\partial u(x_{i},t^n)}{\partial x}\right)&= \frac{1}{\tau}\! \left(\frac{u(x_{i}+h,t^n+\tau)-u(x_{i},t^n+\tau)}{h}-\frac{u(x_{i}+h,t^n)-u(x_{i},t^n)}{h}\right)=\\ &=\frac{u(x_{i}+h,t^n+\tau)-u(x_{i},t^n+\tau)-u(x_{i}+h,t^n)+ u(x_{i},t^n)}{h\,\tau} \end{aligned}$ или $\widehat{u}_{xt}(x_{i},t^n)= \frac{u_{i+1}^{n+1}-u_{i}^{n+1}-u_{i+1}^{n}+ u_{i}^{n}}{h\,\tau}\,.$ (8.31) Получим еще одну формулу. Для этого применим (8.29) к функции, заданной (8.19): $\begin{aligned}\frac{\partial }{\partial t}\! \left(\frac{\partial u(x_{i},t^n)}{\partial x}\right)&= \frac{1}{2\tau}\! \left(\frac{u(x_{i}+h,t^n+\tau)-u(x_{i}-h,t^n+\tau)}{2h}-\frac{u(x_{i}+h,t^n-\tau)-u(x_{i}-h,t^n-\tau)}{2h}\right)=\\ &=\frac{u(x_{i}+h,t^n+\tau)-u(x_{i}-h,t^n+\tau)-u(x_{i}+h,t^n-\tau)-u(x_{i}+h,t^n-\tau)+u(x_{i}-h,t^n-\tau)}{4h\,\tau} \end{aligned}$ или $\widehat{u}_{xt}(x_{i},t^n)= \frac{u_{i+1}^{n+1}-u_{i-1}^{n+1}-u_{i+1}^{n-1}+ u_{i-1}^{n-1}}{4h\,\tau}\,.$ (8.32) Можно показать, что (8.31) аппроксимирует производную $u_{xt}$ с первым порядком, а (8.32) — со вторым порядком аппроксимации. Замечания 1. Поскольку при численных расчетах вместо точного решения $u(x_{i},t^n)$ в узлах $(x_{i},t^n)$ известно не точное, а приближенное решение $\widehat{u} (x_{i},t^n)$ , то в формулах (8.20)-(8.22),(8.26)–(8.32) следует ставить знак ^ над ${u}$ . 2. Здесь рассмотрены аппроксимационные формулы на равномерной сетке. С использованием (5.7),(5.10) можно построить аналогичные формулы при неравномерной сетке. В заключение раздела сформулируем основные этапы решения задач с линейными дифференциальными уравнениями в частных производных разностными методами: 1. Выбрать сетку $D_h$ , соответствующую расчетной области $\overline{D}$ . 2. Заменить дифференциальные операторы в уравнении и дополнительных условиях разностными, а функции — их сеточными представлениями, т.е. построить разностную схему. Установить ее порядок аппроксимации. 3. Исследовать сходимость разностной схемы, проверив устойчивость схемы. 4. Задать величины шагов сетки по всем независимым переменным, обеспечивающие сходимость. Решить разностную задачу одним из известных методов. В результате находятся значения $\widehat{u}(x_{i}, t^n)$ приближенного решения в узлах сетки. Математический форум (помощь с решением задач, обсуждение вопросов по математике). Если заметили ошибку, опечатку или есть предложения, напишите в комментариях.

Принципы построения разностных схем для уравнений в частных производных

Онлайн-сервисы

Нахождение НОД и НОК Разложение числа на простые множители Сравнения по модулю Операции над множествами Операции над векторами Разложение вектора по базису. Доказательство, что векторы образуют базис Чертёж треугольника по координатам вершин Решение треугольника Решение Пирамиды Построение Пирамиды по координатам вершин Чертёж многоугольника по координатам вершин Решение систем методом Крамера и Матричным Онлайн построение графика кривой 2-го порядка Определение вида кривой или поверхности 2-го порядка по инвариантам МНК и регрессионный анализ Онлайн + графики Онлайн число, сумма и дата прописью

Алгоритмы JavaScript

Алгоритмы поиска Алгоритмы сортировки Уникальные элементы массива Объединение, пересечение и разность массивов НОД и НОК Операции над матрицами Дата прописью

Введение в анализ

Функции: понятие, определение, графики Непрерывность функции Исследование функции и построение графика

Теория множеств

Множества: понятие, определение, примеры Точечные множества Замкнутые и открытые множества Мера множества Группы, кольца, поля в математике Поле комплексных чисел Кольцо многочленов Основная теорема алгебры и ее следствия

Математическая логика

Алгебра высказываний

Аксиоматика и логические рассуждения Методы доказательств теорем Алгебра высказываний и операции над ними Формулы алгебры высказываний Тавтологии алгебры высказываний Логическая равносильность формул Нормальные формы для формул высказываний Логическое следование формул Приложение алгебры высказываний для теорем Дедуктивные и индуктивные умозаключения Решение логических задач Принцип полной дизъюнкции

Булевы функции

Множества, отношения и функции в логике Булевы функции от одного и двух аргументов Булевы функции от n аргументов Системы булевых функций Применение булевых функций к релейно-контактным схемам Релейно-контактные схемы в ЭВМ Практическое применение булевых функций

Теория формального

Формализованное исчисление высказываний Полнота и другие свойства формализованного исчисления высказываний Независимость системы аксиом формализованного исчисления высказываний

Логика предикатов

Логика предикатов Логические операции над предикатами Кванторные операции над предикатами Формулы логики предикатов Тавтологии логики предикатов Преобразования формул и следование их предикатов Проблемы разрешения для общезначимости и выполнимости формул Применение логики предикатов в математике Строение математических теорем Аристотелева силлогистика и методы рассуждений Принцип полной дизъюнкции в предикатной форме Метод полной математической индукции Необходимые и достаточные условия Логика предикатов и алгебра множеств Формализованное исчисление предикатов

Неформальные и формаль-
ные аксиоматические теории

Неформальные аксиоматические теории Свойства аксиоматических теорий Формальные аксиоматические теории Формализация теории аристотелевых силлогизмов Свойства формализованного исчисления предикатов Формальные теории первого порядка Формализация математической теории

Теория алгоритмов

Интуитивное представление об алгоритмах Машины Тьюринга и тезис Рекурсивные функции Нормальные алгоритмы Маркова Разрешимость и перечислимость множеств Неразрешимые алгоритмические проблемы Теорема Гёделя о неполноте формальной арифметики

Математическая логика и компьютеры

Математическая логика и языки программирования Применение компьютеров для доказательства теорем математической логики Математическая логика и логическое программирование Математическая логика и информатика Математическая логика и искусственный интеллект

Дискретная математика

Множества и отношения

Теория множеств: понятия и определения Операции над множествами Кортеж и декартово произведение множеств Соответствия и бинарные отношения на множествах Операции над соответствиями на множествах Семейства множеств Специальные свойства бинарных отношений Отношения эквивалентности на множестве Упорядоченные множества Теорема о неподвижной точке Мощность множества Парадокс Рассела Метод характеристических функций

Группы и кольца

Алгебраические структуры и операции Группоиды, полугруппы, группы Кольца, тела, поля Области целостности в теории колец Модули и линейные пространства Подгруппы и подкольца Теорема Лагранжа о порядке конечной группы Гомоморфизмы групп и нормальные делители Гомоморфизмы и изоморфизмы колец Алгебра кватернионов

Полукольца и булевы алгебры

Полукольца: определение, аксиомы, примеры Замкнутые полукольца Полукольца и системы линейных уравнений Булевы алгебры и полукольца Решетки и полурешетки

Алгебраические системы

Алгебраические системы: модели и алгебры Подсистемы алгебраических систем Конгруэнции и фактор-системы Гомоморфизмы алгебраических систем Прямые произведения алгебраических систем Конечные булевы алгебры Многосортные алгебры

Теория графов

Теория графов: основные понятия и определения Способы представления графов Неориентированные и ориентированные деревья Остовное дерево и алгоритм Краскала Методы систематического обхода вершин графа Алгоритмы поиска в глубину и ширину в графах Задача о путях во взвешенных ориентированных графах Изоморфизм, гомоморфизм и автоморфизм графов Топологическая сортировка вершин графа Элементы цикломатики в теории графов

Булева алгебра и функции

Булевы функции и булев куб Таблицы булевых функций и булев оператор Равенство булевых функций. Фиктивные переменные Формулы и суперпозиции булевых функций Дизъюнктивные и конъюнктивные нормальные формы Построение минимальных ДНФ Теорема Поста и классы Критерий Поста Схемы из функциональных элементов

Конечные автоматы и регулярные языки

Конечные автоматы и регулярные языки Алфавит, слово, язык в программировании Порождающие грамматики (грамматики Хомского) Классификация грамматик и языков Регулярные языки и регулярные выражения Конечные автоматы Допустимость языка конечным автоматом Теорема Клини Детерминизация конечных автоматов Минимизация конечных автоматов Лемма о разрастании для регулярных языков Обоснование алгоритма детерминизации автоматов Конечные автоматы с выходом Морфизмы и конечные подстановки Машины Тьюринга

Контекстно-свободные языки

Контекстно-свободные языки и грамматики Приведенная форма КС-грамматики Лемма о разрастании для КС-языков Магазинные автоматы (автомат с магазинной памятью) Алгоритм построения МП-автомата по КС-грамматике Алгоритм построения КС-грамматики по МП-автомату Алгебраические свойства КС-языков Основное свойство суперпозиции КС-языков Пересечение контекстно-свободных языков Методы синтаксического анализа КС-языков Восходящий синтаксический анализ и LR(k)-грамматики Семантика формальных языков Принцип индукции по неподвижной точке Графовое представление МП-автоматов

Интегральное исчисление

Неопределённый и определённый

Неопределенный и определенный интегралы Свойства интегралов Интегрирование по частям Интегрирование методом замены переменной Интегрирование различных рациональных функций Интегрирование различных иррациональных функций Интегрирование различных тригонометрических функций Определенный интеграл и его основные свойства Необходимое и достаточное условие интегрируемости Теоремы существования первообразной Свойства определенных интегралов Несобственные интегралы Интегральное определение логарифмической функции

Приложения интегралов

Вычисление площадей плоских фигур Площади фигур в различных координатах Вычисление объемов тел с помощью интегралов Объём тела вращения Вычисление длин дуг кривых Формулы длины дуги регулярной кривой Кривизна плоской кривой Площадь поверхности вращения тела

Интегралы в физике

Статические моменты и координаты центра тяжести Теоремы Гульдина–Паппа Вычисление моментов инерции Другие приложения интегралов в физике

Основные интегралы

Интеграл Ньютона-Лейбница Интеграл Римана Интеграл Лебега

Вариационное исчисление

Примеры вариационных задач Дифференциальное уравнение Эйлера Функционалы, зависящие от нескольких функций Задача о минимуме кратного интеграла

Финансовый анализ

Анализ эффективности

Критерии и показатели эффективности предприятия Методы анализа эффективности деятельности Факторный анализ прибыли от операционной деятельности Анализ безубыточности предприятия Операционный рычаг и эффект финансового рычага Анализ и оценка состава, структуры и динамики доходов и расходов Анализ рентабельности и резервов устойчивого роста капитала Анализ распределения прибыли предприятия Анализ и оценка чувствительности показателей эффективности

Анализ устойчивости

Финансовая устойчивость и долгосрочная платежеспособность Характеристика типов финансовой устойчивости

Рыночная активность

Финансовый анализ рыночной активности Методика анализа рыночной активности Анализ и оценка дивидендного дохода на одну акцию

Инвестиционная деятельность

Инвестиции: экономическая сущность и классификация Государственное регулирование инвестиционной деятельности Источники финансовых ресурсов на капитальные вложения Инвестиции в основные фонды Оценка состояния основных фондов Амортизация основных фондов Капитальное строительство в инвестиционном процессе Планирование инвестиций в форме капитальных вложений Экономическая эффективность инвестиций Финансирование капитальных вложений Кредитование капитальных вложений Кредитоспособность Финансирование и кредитование затрат Финансирование и кредитование инвестиционной деятельности потребительской кооперации Финансирование и кредитование капитальных вложений потребительской кооперации Инвестиционное строительное проектирование

Анализ инвестиций

Инвестиции и инвестиционная деятельность предприятия Задачи финансового анализа инвестиций предприятия Учет фактора времени в инвестиционной деятельности Аннуитет и финансовая рента в инвестициях Учет фактора инфляции при инвестировании Оценка фактора риска инвестиционного проекта Методы оценки эффективности инвестиций Показатели эффективности инвестиционного проекта

Стоимость компании

Концепция построения международных стандартов финансовой отчетности (МСФО) Экономическое содержание международных стандартов финансовой отчётности Цели и принципы оценки стоимости акций и активов компании Оценка акций и активов предприятия по справедливой стоимости Методы оценки справедливой стоимости акций предприятия Затратный подход к оценки стоимости компаний и акций Сравнительный подход к оценки стоимости предприятий и акций Доходный подход к оценке стоимости компании и акций Выбор ставки дисконтирования при инвестировании в акции Метод капитализации прибыли Сравнение подходов к оценке стоимости компаний и пакетов акций

Форвардные контракты

Форвардный контракт и цена Форвардная цена акции на бирже Цена форвардного контракта инвестора Форвардная цена акции с учетом величины дивиденда Форвардная цена акции с учетом ставки дивиденда Форвардная цена валюты на рынке форекс Форвардный валютный курс и инфляция на рынке Форвардная цена товара и спотовый рынок Форвардная цена при различии ставок по кредитам и депозитам Синтетический форвардный контракт на акции и валюту

Теория вероятностей

Основные понятия теории вероятностей Зависимые и независимые случайные события Повторные независимые испытания Формула Бернулли Одномерные случайные величины Многомерные случайные величины Функции случайных величин Законы распределения целочисленных случайных величин Законы распределения непрерывных случайных величин Предельные теоремы теории вероятностей Закон больших чисел и предельные теоремы Вероятностные закономерности

Математическая статистика

Элементы математической статистики Выборочный метод Оценки параметров генеральной совокупности Статистические гипотезы Критерии согласия Теоретические и эмпирические частоты

Теория очередей (СМО)

Определение системы массового обслуживания Уравнения Колмогорова Предельные вероятности состояний Определение СМО с отказами Определение СМО с ожиданием (очередью)

Аналитическая геометрия

Векторная алгебра

Метрические понятия и аксиомы геометрии Равенство и подобие геометрических фигур Бинарные отношения Вектор, его направление и длина Линейные операции над векторами Линейная зависимость и независимость векторов Отношение коллинеарных векторов Проекции векторов на прямую и на плоскость Угол между векторами Ортогональные проекции векторов Координата вектора на прямой и базис Координаты вектора на плоскости и базис Координаты вектора в пространстве и базис Операции над векторами в координатной форме Ортогональный и ортонормированный базисы Cкалярное произведение векторов и его свойства Выражение скалярного произведения через координаты векторов Векторное произведение векторов и его свойства Смешанное произведение векторов и его свойства Ориентированные площади и объемы Двойное векторное произведение и его свойства Применение векторов в задачах на аффинные свойства фигур Применение произведений векторов при решении геометрических задач Применение векторной алгебры в механике

Системы координат

Прямоугольные координаты Преобразования прямоугольных координат Полярная система координат Цилиндрическая система координат Сферические координаты Аффинные координаты Аффинные преобразования координат Аффинные преобразования плоскости Примеры аффинных преобразований плоскости Аффинные преобразования пространства Многомерное координатное пространство Линейные и аффинные подпространства Скалярное произведение n-мерных векторов Преобразования систем координат

Геометрия на плоскости

Алгебраические линии на плоскости Общие уравнения геометрических мест точек Алгебраические уравнения линий на плоскости Уравнения прямой, проходящей через точку перпендикулярно вектору Уравнения прямой, проходящей через точку коллинеарно вектору Уравнения прямой, проходящей через две точки Уравнения прямой с угловым коэффициентом Взаимное расположение прямых Примеры задач с прямыми на плоскости Системы неравенств с двумя неизвестными Системы линейных уравнений с двумя неизвестными

Линии 2-го порядка

Канонические уравнения линий второго порядка Порядок приведения уравнения линии к каноническому виду Эллипс Гипербола Парабола Квадратичные неравенства с двумя неизвестными Применение линий 1-го и 2-го порядков в задачах на экстремум функций

Инварианты линий

Классификация линий 2-го порядка по инвариантам Приведение уравнения линии к каноническому виду по инвариантам

Геометрия в пространстве

Способы задания ГМТ в пространстве Алгебраические уравнения поверхностей Уравнения плоскости, проходящей через точку перпендикулярно вектору Уравнения плоскости, компланарной двум неколлинеарным векторам Уравнения плоскости, проходящей через три точки Взаимное расположение плоскостей Типовые задачи с плоскостями Уравнения прямых в пространстве Взаимное расположение прямых в пространстве Типовые задачи с прямыми в пространстве

Поверхности 2-го порядка

Канонические уравнения поверхностей Порядок приведения уравнения поверхности к каноническому виду Поверхности второго порядка Эллипсоиды Гиперболоиды Конусы Параболоиды Применение поверхностей 1-го и 2-го порядков в задачах на экстремум функций

Инварианты поверхностей

Классификация поверхностей 2-го порядка по инвариантам Квадратичные неравенства с тремя неизвестными Приведение уравнения поверхности к канониче-скому виду по инвариантам

Линейная алгебра

Матрицы и операции

Линейные операции над матрицами Умножение матриц Возведение матриц в степень Многочлены от матриц Транспонирование и сопряжение матриц Блочные матрицы Произведение и сумма матриц Кронекера Метод Гаусса приведения матрицы к ступенчатому виду Элементарные преобразования матриц

Определители

Определители матриц и их основные свойства Формула полного разложения определителя Формула Лапласа полного разложения определителя Определитель произведения матриц Методы вычисления определителей

Ранг матрицы

Линейная зависимость и линейная независимость строк (столбцов) матрицы Ранг матрицы и базисный минор матрицы Методы вычисления ранга матрицы Ранг системы столбцов (строк)

Обратная матрица

Обратные матрицы и их свойства Ортогональные и унитарные матрицы Способы нахождения обратной матрицы Матричные уравнения Односторонние обратные матрицы Скелетное разложение матрицы Полуобратная матрица Псевдообратная матрица

Системы уравнений

Системы линейных алгебраических уравнений Метод Гаусса решения систем линейных уравнений Структура общего решения системы уравнений Решение систем с помощью полуобратных матриц Псевдорешения системы линейных уравнений

Функциональные матрицы

Функциональные матрицы скалярного аргумента Производные матриц по векторному аргументу Линейные и квадратичные формы и их преобразования Приведение форм к каноническому виду Закон инерции вещественных квадратичных форм Знакоопределенность форм вещественных квадратичных Формы и исследование функций на экстремум

Многочленные матрицы

Многочленные матрицы (лямбда-матрицы) Операции над лямбда-матрицами Простые преобразования многочленных матриц Инвариантные множители многочленной матрицы

Функции от матриц

Собственные векторы и значения матрицы Подобие числовых матриц Характеристический многочлен матрицы Минимальный многочлен матрицы Теорема Гамильтона-Кэли Жорданова форма матрицы Приведение матрицы к жордановой форме Многочлены от матриц Применение многочленов от матриц Функции от матриц

Линейные пространства

Линейные пространства: определение и примеры Линейная зависимость и независимость n-мерных векторов Размерность и базис линейного пространства Преобразования координат в линейном пространстве Изоморфизм линейных пространств

Подпространства

Подпространства линейного пространства Пересечение и сумма подпространств Способы описания подпространств Нахождение дополнения и суммы подпространств Нахождение пересечения подпространств

Линейные отображения

Линейные многообразия Линейные отображения Матрица линейного отображения Ядро и образ линейного отображения

Линейные операторы

Линейные операторы (преобразования) Инвариантные подпространства Собственные векторы и значения оператора Свойства собственных векторов операторов Канонический вид линейного оператора Методика приведения линейного преобразования к каноническому виду

Евклидовы пространства

Комплексный анализ

Комплексные числа

Комплексные числа в алгебраической форме Комплексные числа в тригонометрической и показательной формах Множества на комплексной плоскости Последовательности и ряды комплексных чисел

Комплексные функции

Функции комплексного переменного. Предел, непрерывность и производная Элементарные функции комплексного переменного Дифференцирование функций комплексного переменного Аналитические функции и их свойства Конформные отображения
и их свойства Интегрирование функций комплексного переменного

Функциональные ряды в комплексной области

Функциональные ряды и последовательности Степенные ряды и их свойства Разложение функций в степенные ряды Нули аналитических функций Ряд Лорана и разложение функций по целым степеням

Особые точки, Вычеты

Изолированные особые точки функций и полюсы Вычеты и их применение Вычисление интегралов с помощью вычетов Вычеты и расположение нулей многочлена

Операционное исчисление

Преобразование Лапласа и его свойства Решение ДУ операционным методом Анализ выходных процессов линейных стационарных систем Z-преобразование и его свойства

Дифференциальные уравнения

ДУ первого порядка

Основные понятия и определения ДУ Метод изоклин для ДУ 1-го порядка Метод последовательных приближений ДУ с разделяющимися переменными Однородные ДУ Линейные ДУ 1-го порядка Дифференциальное уравнение Бернулли ДУ в полных дифференциалах Интегрирующий множитель ДУ, не разрешенные относительно производной Дифференциальное уравнение Риккати Составление ДУ семейств линий Задачи на траектории Особые решения ДУ

ДУ высших порядков

Понятия и определения ДУ высших порядков ДУ, допускающие понижение порядка Линейная независимость функций Определители Вронского и Грама Однородные и неоднородные дифференциальные уравнения Задача Коши и Уравнение Эйлера Линейные ДУ с переменными коэффициентами Метод Лагранжа решения ДУ Краевые задачи для ДУ высших порядков Разложение решения ДУ в степенной ряд Разложение решения ДУ в обобщенный степенной ряд Нахождение периодических решений ДУ Асимптотическое интегрирование ДУ

Системы ДУ

Системы ДУ: понятия и определения Сведение системы ДУ к одному уравнению Нахождение интегрируемых комбинаций Интегрирование однородных линейных систем ДУ Методы интегрирования неоднородных систем ДУ Преобразование Лапласа и решение ДУ и систем

Теория устойчивости

Устойчивость решений ДУ по Ляпунову Простейшие типы точек покоя Метод функций Ляпунова Устойчивость решений ДУ по первому приближению Критерии устойчивости Рауса–Гурвица и Михайлова ДУ с малым параметром при производной

Численные методы

Методы алгебры

Численные методы линейной алгебры Численные методы решения СЛАУ Итерационный метод Шульца обратной матрицы Методы решения задач о собственных значениях и векторах матрицы Методы решения нелинейных уравнений Методы решения систем нелинейных уравнений

Методы теории приближений

Методы приближения сеточных функций Методы функциональной интерполяции Методы интегрально-дифференциальной интерполяции Методы интегрального сглаживания Методы интерполяции и сглаживания сплайнами Методы численного дифференцирования и интегрирования Методы численного дифференцирования Методы численного интегрирования

Методы решения обыкновенных ДУ

Численные методы решения задачи Коши Разностные схемы для решения задачи Коши Составные схемы для решения задачи Коши Экстраполяционные методы решения задачи Коши Непрерывно-дискретные методы решения задачи Коши Численные методы решения краевых задач

Методы решения ДУ в частных производных

Численные методы решения уравнений математической физики с двумя переменными Принципы построения разностных схем для уравнений в частных производных Разностные схемы решения уравнений в частных производных 1-го порядка Разностные схемы решения уравнений в частных производных 2-го порядка Численные методы решения уравнений в частных производных Численные методы решения уравнений математической физики с тремя переменными

Принципы построения разностных схем
для уравнений в частных производных

Точное решение задач математической физики (в виде явных формул, рядов и т.п.) можно найти только в редких случаях. Среди приближенных методов, в результате применения которых получается приближенное (не точное) решение, представляемое таблицей чисел, наибольшее распространение получили разностные методы (методы сеток). Сущность разностных методов состоит в том, что исходная область изменения независимых переменных заменяется дискретным множеством точек — сеткой, а производные, входящие в уравнение, аппроксимируются на этой сетке разностными соотношениями. В результате исходная линейная задача заменяется системой конечного числа линейных алгебраических уравнений, называемой разностной схемой (задачей). Аналогично исходная нелинейная задача заменяется нелинейной разностной схемой. За приближенное решение исходной задачи принимается решение разностной схемы. Точность приближения зависит от способа аппроксимации и от густоты сетки, т.е. от того, насколько плотно сетка заполняет исходную область.

Рассмотрим общую запись постановок линейных задач, описанных ранее. Пусть дана исходная (дифференциальная) задача в виде

$\mathcal{L}\,u=f,$

(8.9)

где ${u}$ — искомая функция, определенная на множестве $\overline{D}= D\cup \gamma;~ D$ — область пространства независимых переменных с границей $\Gamma;~f$ — заданная функция, $\mathcal{L}$ — линейный дифференциальный оператор. Предполагается, что все производные, входящие в дифференциальное уравнение, перенесены в левую часть, а остальные функции образуют правую часть; дополнительные условия (начальные и краевые) также включены в оператор $\mathcal{L}$ и правую часть $f$ . Например, начально-краевая задача для уравнения переноса (8.5) запишется в виде (8.9), если положить

$\mathcal{L}\,u= \begin{cases}u_t+u_x,& 0<x<L,~ 0<t<T,\\ u(x,0),& 0 \leqslant x \leqslant L,\\ u(0,t),& 0<t \leqslant T;\end{cases}\quad f=\begin{cases}0,& 0<x<L,~ 0<t<T,\\ \psi(x),& 0 \leqslant x \leqslant L,\\ \varphi(t),& 0<t \leqslant T.\end{cases}$

Для численного решения задачи вводится сетка $D_h=\{M_k\}$ — конечное множество точек $M_h$ (узлов сетки), принадлежащих $\overline{D}$ , плотность размещения которых характеризуется параметром $h$ — шагом сетки. В общем случае $h$ — вектор, компонентами которого являются шаги по всем независимым переменным решаемой задачи, с длиной $|h|$ . Обычно сетка задается так, что при $|h|\to0$ множество $D_h$ стремится заполнить множество $\overline{D}= D\cup \Gamma$ .

Для определенности далее рассматривается некоторая дифференциальная задача с двумя независимыми переменными $x$ и $t$ . Для простоты изложения будем предполагать, что множество $D$ представляет собой прямоугольник длины $L$ и высоты $T$ , ограниченный отрезками прямых, параллельных осям $Ox$ и $Ot$ (рис. 8.3), т.е. задана двумерная прямоугольная сетка $D_h= \{x_i, t^n\}$ , где $x_{i}=ih,~ 0 \leqslant i \leqslant I;$ $t^n=n\tau,~ 0 \leqslant n \leqslant N;$ $N,\,I$ — целые положительные числа; $h,\,\tau$ — величины шагов по пространству и времени (для простоты принимаются постоянными); $I\,h=L,~ N\,\tau=T$ . Такая сетка называется равномерной (регулярной). Здесь можно положить $|h|= \sqrt{h^2+\tau^2}$ или $|h|= \sqrt{h^2+\tau}$ . Узлы, принадлежащие промежуткам $\{0 \leqslant x \leqslant L,\, t=0\},$ $\{x=0,\, 0 \leqslant t \leqslant T\},$ $\{x=L,\, 0 \leqslant t \leqslant T\},$ $\{t=T,\, 0<x<T\}$ , называются граничными, а остальные -внутренними. Слоем $\{x_{i},t^n\},~ i=0,\ldots,I-1$ называется множество всех узлов сетки, имеющих одну и ту же временную координату $t^n$ .

Функции, определенные в точках сетки $D_{h}$ , называются сеточными. Введем сеточную функцию $u_{h}= \bigl\{u_{i}^n= u(x_{i}, t^n),\, 0 \leqslant i \leqslant I,\, 0 \leqslant n \leqslant N\bigr\}$ , которая является сеточным представлением решения исходной (дифференциальной) задачи или точным решением дифференциальной задачи в узлах сетки. Как правило, вычислить uh не удается, поэтому находят другую сеточную функцию $\widehat{u}_h\cong u_h$ приближенно совпадающую с точным решением в узлах сетки. Она вычисляется как решение разностной схемы

$\mathcal{L}_h\, \widehat{u}_h=f_h,$

(8.10)

в некотором смысле соответствующей задаче (8.9). Здесь $\mathcal{L}_h$ — разностный оператор, аппроксимирующий линейный дифференциальный оператор $\mathcal{L}$ (он формируется в результате аппроксимации частных производных, входящих в $\mathcal{L}$ , соответствующими конечно-разностными соотношениями); $f_h$ — сеточная функция, возникающая в результате замены правой части уравнения (8.9) значениями в узлах сетки. Таким образом, под разностной схемой понимается совокупность разностных уравнений, аппроксимирующих основное дифференциальное уравнение во всех внутренних узлах сетки и дополнительные условия (начальные и краевые) — в граничных узлах. Разностную схему по аналогии с дифференциальной задачей будем называть разностной задачей.

Обозначим линейное нормированное пространство, образованное совокупностью функций $\widehat{u}_h$ , определенных на $D_h$ , через $U_h$ , а пространство, образованное совокупностью функций $f_h$ , через $F_h$ . Пусть в этих пространствах введены нормы $\|\cdot\|_{U_h},\|\cdot\|_{F_h}$ . Если при $|h|\to0$ выполняется условие

$\bigl\|\widehat{u}_h-u_h\bigr\|_{U_h}\to0,$

(8.11)

то решение разностной задачи сходится к решению дифференциальной, а разностная схема называется сходящейся. Если существуют такие постоянные $p>0,~ C>0$ , не зависящие от $|h|$ , что выполняется неравенство $\bigl\|\widehat{u}_h-u_h\bigr\|_{U_h} \leqslant C\,|h|^p$ , то схема имеет p-й порядок сходимости (порядок точности).

Как указано выше, основной идеей разностных методов является преобразование дифференциальной задачи к разностной задаче для нахождения сеточного решения, в некотором смысле близкого к точному решению.

Функция $\delta f_h$ в выражении $\mathcal{L}_hu_h= f_h+\delta f_h$ , получающаяся в результате подстановки сеточного представления $u_h$ в разностную схему (8.10), называется погрешностью аппроксимации.

Разностная задача (8.10) аппроксимирует дифференциальную задачу (8.9) на решении $u(x,t)$ , если $\|\delta f_h\|_{F_h}\to0$ при $|h|\to0$ . Если существуют такие постоянные $k>0,\, M>0$ , не зависящие от $|h|$ , что выполняется неравенство

$\|\delta f_h\|_{F_h}\leqslant M\cdot |h|^k,$

(8.12)

то разностная схема имеет k-й порядок аппроксимации.

Одновременное выполнение условия $\|\delta f_h\|_{F_h}= O(\tau^p+ h^q)$ означает, что схема имеет p-й порядок аппроксимации по времени и q-й по пространству. В случае трех независимых переменных аналогичное условие имеет вид $\|\delta f_h\|_{F_h}= O(\tau^p+ h_x^q+ h_y^r)$ .

Разностная схема называется устойчивой, если существует постоянная $K>0$ , не зависящая от $|h|$ , что при любых $f_h\in F_h$ справедливы условия:

1) разностная схема (8.10) имеет единственное решение;

2) $\|\widehat{u}_h\|_{U_h} \leqslant K\cdot \|f_h\|_{F_h}$ .

Замечания

1. Свойство устойчивости какой-либо задачи означает, что при небольшом изменении исходных данных решение изменяется мало. Таким образом, для исследования устойчивости необходимо рассматривать уравнение, которому удовлетворяет погрешность, возникающая в результате возмущения исходных данных. Однако в случае линейного оператора структура уравнения для погрешности та же, что и исходного уравнения (8.9). Действительно, рассмотрим уравнение $\mathcal{L}_h \widehat{z}_h= \widetilde{f}_h$ , отличающееся от (8.10) правой частью. Вычитая его из (8.10), получаем уравнение $\mathcal{L}_h \varepsilon_h= \delta f_h$ , описывающее изменение пофешности $\varepsilon_h= \widehat{u}_h-\widehat{z}_h$ в силу наличия возмущения $\delta f_n=f_h-\widetilde{f}_h$ , правой части. Тогда если выполнено условие 2) определения устойчивости, то одновременно $\|\varepsilon_h\|_{U_h} \leqslant K\,\|\delta f_h\|_{F_k}$ и, следовательно, $\|\varepsilon_h\|_{U_h}\to 0$ при $\|\delta f_h\|_{F_k}\to 0$ . Это означает, что задача устойчива.

2. Свойство устойчивости связано с понятием норм, вводимых в пространствах $U_h,\,F_h$ . Возможны случаи, когда условие 2) будет выполняться для одних норм и не выполняться для других. Если это условие не выполняется ни при каком разумном выборе норм, то схема неустойчива.

Разностные схемы, устойчивые при любом соотношении шагов $h$ и $\tau$ , называются абсолютно устойчивыми.

Разностные схемы, неустойчивые при любом соотношении шагов $h$ и $\tau$ , называются абсолютно неустойчивыми.

Разностные схемы, устойчивые лишь при некотором ограничении на отношение шагов по пространству и по времени, называются условно устойчивыми.

Сходимость и устойчивость связаны теоремой, играющей основную роль при анализе разностных схем.

Теорема. Пусть дифференциальная задача (8.9) поставлена корректно, разностная схема (8.10) устойчива, аппроксимирует дифференциальную задачу (8.9) и имеет k-й порядок аппроксимации. Тогда решение разностной задачи сходится к решению дифференциальной задачи, причем порядок точности совпадает с порядком аппроксимации.

Установить устойчивость разностной схемы с использованием определения на практике затруднительно. Поэтому предложен ряд методов, позволяющих получить необходимые (иногда необходимые и достаточные) условия устойчивости разностных схем: спектральный признак устойчивости, метод гармоник Фурье, принцип максимума, метод операторных неравенств. В данной книге эти методы не рассматриваются.

Схема называется явной, если оператор $\mathcal{L}$ аппроксимируется с использованием известных значений функции $\widehat{u}(x_{i},t^n)$ на n-м слое, а аппроксимирующее уравнение содержит только одно неизвестное значение функции на следующем (n+1)-м слое, которое нетрудно выразить явно. Схема называется неявной, если оператор аппроксимируется с использованием нескольких неизвестных значений искомой функции на (n+1) -м слое. Узлы сетки $D_h$ , значения в которых используются при аппроксимации оператора $\mathcal{L}$ , образуют шаблон. При изображении шаблона светлыми кружочками обозначаются узлы, соответствующие всем слоям с известными значениями функции, а зачерненными — узлы с неизвестными значениями функции, подлежащими определению. Шаблон, содержащий $p$ узлов, называется p-точечным.

Получим некоторые разностные формулы для аппроксимации частных производных первого и второго порядков, входящих в уравнения видов (8.3),(8.4) и в соответствующие дифференциальные задачи, рассмотренные далее.

Пусть имеется функция $u(x,y)$ , имеющая непрерывные производные по всем переменным до (k+1)-го порядка включительно. Выберем узел (xhtn) сетки $D_h$ . Сначала рассмотрим разности в направлении $x$ . Применим формулу Тейлора разложения функции $u(x,t^n)$ одной переменной $x$ в окрестности выбранного узла $(x_{i},t^n)$ .

При $k=1$ имеем

$u(x_{i}+h,t^n)= u(x_{i},t^n)+ u_x(x_{i},t^n)+ u_{xx}(\xi_1,t^n)\frac{h^2}{2},\quad \xi_1\in (x_{i},x_{i}+h),$

(8.13)

$u(x_{i}-h,t^n)= u(x_{i},t^n)-u_x(x_{i},t^n)+ u_{xx}(\xi_2,t^n)\frac{h^2}{2},\quad \xi_2\in (x_{i}-h,x_{i}).$

(8.14)

Из (8.13) следует $u_x(x_{i},t^n)= \frac{u(x_{i}+h,t^n)-u(x_{i},t^n)}{h}-u_{xx}(\xi_1,t^n)\frac{h}{2}$ . Очевидно, справедлива оценка

$\left|-u_{xx}(\xi_1,t^n)\frac{h}{2}\right| \leqslant \frac{h}{2}\cdot \max_{x\in[x_{i},x_{i}+h]}\bigl|u_{xx}(\xi_1,t^n)\bigr|= \frac{h}{2}\cdot M_2,$

где $M_2= \max_{x\in[x_{i},x_{i}+h]}\bigl|u_{xx}(\xi_1,t^n)\bigr|$ . Отсюда получаем формулу (аппроксимационный оператор)

$\widehat{u}_x(x_{i},t^n)= \frac{u(x_{i}+h,t^n)-u(x_{i},t^n)}{h}\,,\quad \left(\frac{h}{2}\,M_2\right)$

(8.15)

которая аппроксимирует частную производную их с первым порядком аппроксимации на двухточечном шаблоне. Она называется правой разностью. Аналогично из (8.14) получается формула

$\widehat{u}_x(x_{i},t^n)= \frac{u(x_{i},t^n)-u(x_{i}-h,t^n)}{h}\,,$

(8.16)

также аппроксимирующая частную производную $u_x$ с первым порядком аппроксимации на двухточечном шаблоне. Она называется левой разностью.

Получим еще одну формулу для аппроксимации частной производной их. При $k=2$ из формулы Тейлора (В. 16)–(В. 18) получаем

$u(x_{i}+h,t^n)= u(x_{i},t^n)+ u_x(x_{i},t^n)h+ u_{xx}(x_{i},t^n)\frac{h^2}{2}+ u_{xxx}(\xi_1,t^n)\frac{h^3}{6}\,,~ \xi_1\in (x_{i},x_{i}+h),$

(8.17)

$u(x_{i}-h,t^n)= u(x_{i},t^n)-u_x(x_{i},t^n)h+ u_{xx}(x_{i},t^n)\frac{h^2}{2}-u_{xxx}(\xi_2,t^n)\frac{h^3}{6}\,,~ \xi\in (x_{i}-h,x_{i}).$

(8.18)

Вычитая (8.18) из (8.17), имеем

$u(x_{i}+h,t^n)-u(x_{i}-h,t^n)= 2u_x(x_{i},t^n)h+ \bigl[u_{xxx}(\xi_1,t^n)+ u_{xxx}(\xi_2,t^n)\bigr] \frac{h^3}{6}\,.$

Но, согласно утверждению В.1, существует точка $\xi\in (x_{i}-h,x_{i}+h)$ , что $\frac{u_{xxx}(\xi_1,t^n)+ u_{xxx}(\xi_2,t^n)}{2}=u_{xxx}(\xi,t^n)$ . Поэтому

$u_x(x_{i},t^n)= \frac{u(x_{i}+h,t^n)-u(x_{i}-h,t^n)}{2h}-u_{xxx}(\xi,t^n)\frac{h^2}{6},\quad \xi\in (x_{i}-h,x_{i}+h),$

или

$\widehat{u}_x(x_{i},t^n)= \frac{u(x_{i}+h,t^n)-u(x_{i}-h,t^n)}{2h}\quad \left(\frac{h^2}{6}\,M_3\right)\!.$

(8.19)

где $M_3= \max_{x\in [x_{i}-h,x_{i}+h]}\bigl|u_{xxx}(\xi,t^n)\bigr|$ . Эту формулу называют центральной разностью, которая аппроксимирует частную производную $u_x$ со вторым порядком аппроксимации на трехточечном шаблоне. Обозначая $u(x_{i},t^n)=u_{i}^n,$ $u(x_{i}+h,t^n)=u_{i+1}^n,$ $u(x_{i}-h,t^n)=u_{i-1}^n,$ перепишем (8.15), (8.16), (8.19) в форме

$\widehat{u}_x(x_{i},t^n)= \frac{u_{i+1}^n-u_{i}^n}{h}\,,$

(8.20)

$\widehat{u}_x(x_{i},t^n)= \frac{u_{i}^n-u_{i-1}^n}{h}\,,$

(8.21)

$\widehat{u}_x(x_{i},t^n)= \frac{u_{i+1}^n-u_{i-1}^n}{h}\,.$

(8.22)

Теперь получим формулы для аппроксимации производных второго порядка. При А: = 3 формула Тейлора (В. 16)–(В. 18) имеет вид

$\begin{gathered}u(x_{i}+h,t^n)= u(x_{i},t^n)+ u_x(x_{i},t^n)h+ u_{xx}(x_{i},t^n) \frac{h^2}{2}+ u_{xxx}(x_{i},t^n) \frac{h^3}{6}+ u_{xxxx}(\xi_1,t^n) \frac{h^4}{24}\,,\\ \xi_1\in (x_{i},x_{i}+h),\end{gathered}$

(8.23)

$\begin{gathered}u(x_{i}-h,t^n)= u(x_{i},t^n)-u_x(x_{i},t^n)h+ u_{xx}(x_{i},t^n) \frac{h^2}{2}-u_{xxx}(x_{i},t^n) \frac{h^3}{6}+ u_{xxxx}(\xi_2,t^n) \frac{h^4}{24}\,,\\ \xi_2\in (x_{i}-h, x_{i}),\end{gathered}$

(8.23)

Сложим (8.23) и (8.24):

$u(x_{i}+h,t^n)+u(x_{i}-h,t^n)= 2u(x_{i},t^n)+ u_{xx}(x_{i},t^n)h^2+ \bigl[u_{xxxx}(\xi_1, t^n)+ u_{xxxx}(\xi_2,t^n)\bigr] \frac{h^4}{24}\,.$

Поскольку, согласно утверждению В.1, $\frac{u_{xxxx}(\xi_1, t^n)+ u_{xxxx}(\xi_2,t^n)}{2}= u_{xxxx}(\xi, t^n)$ , где $\xi\in (x_{i}-h, x_{i}+h)$ , то перепишем полученное равенство в виде

$u_{xx}(x_{i},t^n)= \frac{u(x_{i}+h,t^n)-2u(x_{i},t^n)+ u(x_{i}-h,t^n)}{h^2}-u_{xxxx}(\xi,t^n)\frac{h^2}{12}$

или окончательно

$\widehat{u}_{xx}(x_{i},t^n)= \frac{u(x_{i}+h,t^n)-2u(x_{i},t^n)+ u(x_{i}-h,t^n)}{h^2}\quad \left(\frac{h^2}{12}\,M^4\right)\!,$

(8.25)

где $M_4= \max_{x\in [x_{i}-h, x_{i}+h]} \bigl|u_{xxxx}(x,t^n)\bigr|$ . Формула (8.25), называемая центральной разностью второго порядка, аппроксимирует $u_{xx}$ со вторым порядком аппроксимации и может быть записана аналогично (8.20)–(8.22):

$\widehat{u}_{xx}(x_{i},t^n)= \frac{u_{i+1}^n-2u_{i}^n+u_{i-1}^n}{h^2}\,.$

(8.26)

Так же получаются разности в узле $(x_{i},t^n)$ в направлении $t\colon$

$\widehat{u}_{t}(x_{i},t^n)= \frac{u(x_{i},t^n+\tau)-u(x_{i},t^n)}{\tau},\qquad \widehat{u}_{t}(x_{i},t^n)= \frac{u_{i}^{n+1}-u_{i}^n}{\tau}\,,$

(8.27)

$\widehat{u}_{t}(x_{i},t^n)= \frac{u(x_{i},t^n)-u(x_{i},t^n-\tau)}{\tau},\qquad \widehat{u}_{t}(x_{i},t^n)= \frac{u_{i}^{n}-u_{i}^{n-1}}{\tau}\,,$

(8.28)

$\widehat{u}_{t}(x_{i},t^n)= \frac{u(x_{i},t^n+\tau)-u(x_{i},t^n-\tau)}{2\tau},\qquad \widehat{u}_{t}(x_{i},t^n)= \frac{u_{i}^{n+1}-u_{i}^{n-1}}{2\tau}\,,$

(8.29)

$\widehat{u}_{tt}(x_{i},t^n)= \frac{u(x_{i},t^n+\tau)-2u(x_{i},t^n)+ u(x_{i},t^n-\tau)}{\tau^2},\quad \widehat{u}_{tt}(x_{i},t^n)= \frac{u_{i}^{n+1}-2u_{i}^n+u_{i}^{n-1}}{\tau^2}\,.$

(8.30)

Формулы (8.27),(8.28) аппроксимируют производную $u_t$ с первым порядком аппроксимации, а (8.29),(8.30) аппроксимируют соответствующие производные со вторым порядком аппроксимации. Все вышеприведенные формулы записаны на n-м временном слое. При необходимости (например, при конструировании неявных схем) вместо n-го используется (n+1)-й и (n-1)-й временные слои.

Теперь получим выражения для аппроксимации смешанной производной. Применим (8.27) к оператору, заданному (8.15):

$\begin{aligned}\frac{\partial }{\partial t}\! \left(\frac{\partial u(x_{i},t^n)}{\partial x}\right)&= \frac{1}{\tau}\! \left(\frac{u(x_{i}+h,t^n+\tau)-u(x_{i},t^n+\tau)}{h}-\frac{u(x_{i}+h,t^n)-u(x_{i},t^n)}{h}\right)=\\ &=\frac{u(x_{i}+h,t^n+\tau)-u(x_{i},t^n+\tau)-u(x_{i}+h,t^n)+ u(x_{i},t^n)}{h\,\tau} \end{aligned}$

или

$\widehat{u}_{xt}(x_{i},t^n)= \frac{u_{i+1}^{n+1}-u_{i}^{n+1}-u_{i+1}^{n}+ u_{i}^{n}}{h\,\tau}\,.$

(8.31)

Получим еще одну формулу. Для этого применим (8.29) к функции, заданной (8.19):

$\begin{aligned}\frac{\partial }{\partial t}\! \left(\frac{\partial u(x_{i},t^n)}{\partial x}\right)&= \frac{1}{2\tau}\! \left(\frac{u(x_{i}+h,t^n+\tau)-u(x_{i}-h,t^n+\tau)}{2h}-\frac{u(x_{i}+h,t^n-\tau)-u(x_{i}-h,t^n-\tau)}{2h}\right)=\\ &=\frac{u(x_{i}+h,t^n+\tau)-u(x_{i}-h,t^n+\tau)-u(x_{i}+h,t^n-\tau)-u(x_{i}+h,t^n-\tau)+u(x_{i}-h,t^n-\tau)}{4h\,\tau} \end{aligned}$

или

$\widehat{u}_{xt}(x_{i},t^n)= \frac{u_{i+1}^{n+1}-u_{i-1}^{n+1}-u_{i+1}^{n-1}+ u_{i-1}^{n-1}}{4h\,\tau}\,.$

(8.32)

Можно показать, что (8.31) аппроксимирует производную $u_{xt}$ с первым порядком, а (8.32) — со вторым порядком аппроксимации.

Замечания

1. Поскольку при численных расчетах вместо точного решения $u(x_{i},t^n)$ в узлах $(x_{i},t^n)$ известно не точное, а приближенное решение $\widehat{u} (x_{i},t^n)$ , то в формулах (8.20)-(8.22),(8.26)–(8.32) следует ставить знак ^ над ${u}$ .

2. Здесь рассмотрены аппроксимационные формулы на равномерной сетке. С использованием (5.7),(5.10) можно построить аналогичные формулы при неравномерной сетке.

В заключение раздела сформулируем основные этапы решения задач с линейными дифференциальными уравнениями в частных производных разностными методами:

1. Выбрать сетку $D_h$ , соответствующую расчетной области $\overline{D}$ .

2. Заменить дифференциальные операторы в уравнении и дополнительных условиях разностными, а функции — их сеточными представлениями, т.е. построить разностную схему. Установить ее порядок аппроксимации.

3. Исследовать сходимость разностной схемы, проверив устойчивость схемы.

4. Задать величины шагов сетки по всем независимым переменным, обеспечивающие сходимость. Решить разностную задачу одним из известных методов. В результате находятся значения $\widehat{u}(x_{i}, t^n)$ приближенного решения в узлах сетки.

Математический форум (помощь с решением задач, обсуждение вопросов по математике).

Если заметили ошибку, опечатку или есть предложения, напишите в комментариях.

Список статей » Список форумов

Часовой пояс: UTC + 3 часа [ Летнее время ]

Принципы построения разностных схемдля уравнений в частных производных

Принципы построения разностных схем
для уравнений в частных производных