Wyklad mn 15

background image
background image

Przykład:

Dana jest linia długa o długości L

0

bez strat o stałych

kilometrycznych L,C.Na początku linii zostaje załączona
siła elektromotoryczna e(t), a koniec linii jest zwarty. Określić
rozkład prądów i napięć w linii.

Równania linii długiej bez strat są:

t

,

x

,

t

,

x

,

Cu

i

Li

u

Różniczkując pierwsze równanie po x, a drugie po t i eliminując
prąd otrzymujemy równanie hiperboliczne (falowe) dla napięcia:

tt

,

2

xx

,

u

v

1

u

background image

tt

,

2

xx

,

u

v

1

u

gdzie

LC

1

v

- prędkość propagacji fali w linii.

Warunki brzegowe zapisane dla napięcia są:

   
 

0

L

x

0

x

0

t

,

x

u

t

e

t

,

x

u

Warunki początkowe wynikają z założenia, że linia była
rozładowana przed załączeniem, czyli:

 

 

0

t

t

,

0

t

0

t

,

x

u

0

t

,

x

u

background image

Jeszcze raz stosujemy przekształcenie Laplace’a i mamy:

0

u

v

s

u

2

xx

,

którego rozwiązanie jest:

 

v

sx

sin

A

v

sx

cos

A

s

,

x

u

2

1

gdzie stałe A

1

i A

2

wyznaczamy z warunków brzegowych:

 

 

 

0

L

x

0

x

0

s

,

x

u

s

E

s

,

x

u

gdzie E(s)=L[e(t)].

background image

Otrzymujemy:

 

 

v

sL

ctg

s

E

A

s

E

A

0

2

1

Rozwiązanie dla transformaty napięcia jest:

 

 

v

sL

sin

x

L

v

s

sin

s

E

s

,

x

u

0

0

Korzystając jak poprzednio z twierdzenia o splocie znajdujemy
transformatę odwrotną L

-1

[E(s)]=e(t) i

v

sL

sin

x

L

v

s

sin

L

0

0

1

background image

którą obliczamy korzystając z twierdzenia Cauchy.
Całka po linii zamkniętej z funkcji analitycznej równa się
sumie residuów funkcji znajdujących się wewnątrz krzywej
całkowania pomnożonej przez 2i.

Funkcja

v

sL

sin

x

L

v

s

sin

0

0

ma bieguny w punktach s

k

zerowania się

mianownika, tj.

v

L

k

s

0

k

gdzie k=0,1, 2,.....

Obliczając residuum mamy:

background image





k

k

0

0

0

0

0

0

1

L

vt

ik

exp

k

cos

v

L

L

x

L

k

sin

v

sL

sin

x

L

v

s

sin

L

Rozdzielając sumę dla dodatnich i ujemnych k i zmieniając
znak k otrzymujemy ostatecznie:

 

1

k

0

0

0

k

0

0

0

1

L

vt

k

cos

x

L

L

k

sin

1

v

L

2

v

sL

sin

x

L

v

s

sin

L

background image

Rozkład napięcia w linii określa wzór:

 

 

1

k

t

0

0

0

0

k

0

d

L

v

k

cos

t

e

L

x

L

k

sin

1

L

v

2

t

,

x

u

Prąd w linii można otrzymać wykorzystując równania linii
np.:

x

t

,

u

L

1

,

i

i mamy:

 

 

1

k

t

0

0

0

0

k

0

d

L

v

k

sin

t

e

L

x

L

k

sin

1

LL

2

t

,

x

i

background image

Jako ostatni przykład zastosowania metody rozdzielania zmiennych
rozważmy:

Dana jest cienka prostokątna axb membrana zamocowana na brzegu.
Na powierzchnię membrany działa ciśnienie p(x,y,t). Wyznaczyć
drgania membrany, jeżeli w chwili t=0 była ona nieodkształcona
i nieruchoma. Grubość membrany wynosi h, jej masa właściwa .

x

y

w

a

b

dy

dx

w

x

dx

dy

Nw

x

,

dy

dx

w

w

N

xx

,

x

,

dxdy

y

,

x

p

N

N

dxdy

w

h

dB

background image

w

x

dx

dy

Nw

x

,

dy

dx

w

w

N

xx

,

x

,

dxdy

y

,

x

p

N

N

dxdy

w

h

dB

Bilansując siły na oś w otrzymujemy:

0

pdxdy

dB

dx

Nw

dx

dy

w

w

N

dy

Nw

dy

dx

w

w

N

y

,

yy

,

y

,

x

,

xx

,

x

,

Wykonując redukcję i dzieląc przez hdxdy otrzymujemy równanie

opisujące odkształcenie membrany:

background image

t

,

y

,

x

p

h

1

w

w

2

2

gdzie

h

N

2

Warunki brzegowe wyrażające fakt umocowania brzegu mają
postać:

b

y

0

y

a

x

0

x

0

w

;

0

w

0

w

;

0

w

Warunki początkowe są:

0

t

0

t

0

w

0

w

background image

Przyjmując rozwiązanie w postaci:

     

t

T

y

Y

x

X

t

,

y

,

x

w

otrzymujemy dla równania jednorodnego po podzieleniu przez XYT:

0

dy

Y

d

Y

1

dx

X

d

X

1

dt

T

d

T

1

2

2

2

2

2

2

2





Przyjmujemy:

2

2

2

2

2

2

dy

Y

d

Y

1

dx

X

d

X

1

Rozwiązując powyższe równania mamy:

background image

 

 

y

cos

D

y

sin

C

y

Y

x

cos

B

x

sin

A

x

X

0

y

0

x

0

w

;

0

w

Na mocy warunków brzegowych:

mamy:

0

C

;

0

B

Natomiast stałe ,  określamy z warunków brzegowych:

b

y

a

x

0

w

;

0

w

i mamy:

b

k

;

a

n

k

n

gdzie n,k=0,1,2,...

background image

Rozwiązanie spełniające warunki brzegowe:

b

y

0

y

a

x

0

x

0

w

;

0

w

0

w

;

0

w

ma postać:

 

 

 

 

1

n

1

k

nk

b

y

k

sin

a

x

n

sin

t

T

t

,

y

,

x

w

Podstawiając do równania

t

,

y

,

x

p

h

1

w

w

2

2

otrzymujemy:

t

,

y

,

x

p

h

1

b

y

k

sin

a

x

n

sin

b

k

a

n

T

T

1

k

1

n

2

2

nk

2

nk

 

 





 

 

 

background image

Funkcje

 

 

b

y

k

sin

a

x

n

sin

tworzą ortogonalny ciąg na prostokącie [0,a]x[0,b]. Mnożąc
równanie:

t

,

y

,

x

p

h

1

b

y

k

sin

a

x

n

sin

b

k

a

n

T

T

1

k

1

n

2

2

nk

2

nk

 

 





 

 

 

obustronnie przez

 

 

b

y

k

sin

a

x

n

sin

i całkując po powierzchni prostokąta [0,a]x[0,b] otrzymujemy:

 

t

P

T

T

nk

nk

2

nk

nk

background image

 

t

P

T

T

nk

nk

2

nk

nk

gdzie

 

 

2

2

2

2

nk

b

k

a

n

 



 

 

a

0

b

0

nk

dxdy

b

y

k

sin

a

x

n

sin

t

,

y

,

x

p

abh

1

t

P

Biorąc pod uwagę warunki początkowe:

0

t

0

t

0

w

0

w

rozwiązanie równania można zapisać w postaci:

 

 

t

0

nk

nk

nk

nk

d

sin

t

P

t

T

background image

Ugięcie membrany w pod wpływem ciśnienia p jest opisane
wzorem:

 

 

 

 

1

n

1

k

t

0

nk

nk

nk

b

y

k

sin

a

x

n

sin

d

sin

t

P

t

,

y

,

x

w

gdzie

 

 

2

2

2

2

nk

b

k

a

n

 



 

 

a

0

b

0

nk

dxdy

b

y

k

sin

a

x

n

sin

t

,

y

,

x

p

abh

1

t

P

background image

Metody numeryczne rozwiązywania równań

różniczkowych cząstkowych

Metoda różnic skończonych (siatek)

Uwagi ogólne

Dane równanie różniczkowe cząstkowe opisane operatorem L:

f

Lu

w obszarze  i warunki brzegowe:

1,2,...p

i

dla

u

l

i

x

i

i

background image

X

k

W metodach różnicowych poszukuje się tablicy wartości
przybliżonych u

h

rozwiązania dokładnego u na zbiorze

izolowanych punktów X

k

 (k=1,2,...,N

h

)

zwanym siatką.

Punkty X

k

są nazywane węzłami siatki.

węzeł pomocniczy

węzeł podstawowy

Równania służące do wyznaczania wartości przybliżonych

nazywamy równaniami różnicowymi.

x

y

h

x

h

y

h=(h

x

,h

y

)

Parametr h
charakteryzuje
siatkę 

h

background image

Dla równania różniczkowego:

f

Lu

w obszarze  z warunkami brzegowymi:

1,2,...p

i

dla

u

l

i

x

i

i

otrzymujemy jego odpowiednik różnicowy:

ih

h

ih

h

h

h

u

r

f

u

R

Zakładając, że problem opisany równaniem różniczkowym ma
jednoznaczne rozwiązanie, to równania różnicowe będą jego
odpowiednikiem jeżeli są spełnione następujące warunki:

background image

ih

h

ih

h

h

h

u

r

f

u

R

1. Układ równań różnicowych posiada jednoznaczne rozwiązanie:

 

h

h

k

h

k

h

X

dla

X

u

dla każdego dopuszczalnego h.

2. Zbieżność do rozwiązania dokładnego u.

Oznacza to, że rozwiązanie u

h

powinno przy h 0 dążyć do

rozwiązania dokładnego u.

Dla określenia zbieżności jest koniecznym wprowadzenie

odpowiednich przestrzeni funkcyjnych i norm w nich.

background image

Wprowadzamy przestrzeń funkcyjną U z normą || ||

U

, do której

należy rozwiązanie dokładne u.

oraz przestrzeń N

h

- wymiarową U

h

z normą || ||

Uh

,

której elementami są układy N

h

liczb i do której

należy rozwiązanie u

h

.

Normy || ||

U

i || ||

Uh

winny być zgodne, tzn. ponieważ funkcja u(x)

jest określona w węzłach podstawowych X

k

siatki, to mówimy,

że normy są zgodne jeżeli zachodzi:

 

 

U

Uh

0

h

x

u

x

u

lim

dla każdego uU.

background image

Przykłady norm zgodnych:

 

d

f

f

2

L

2

0

h

h

2

j

,

i

2

ij

2

L

f

h

f

- zbiór węzłów wewnętrznych.

0

h

 

d

,

u

u

u

i

2

i

2

H

1

2











h

ij

1

h

2

j

,

i

2

ij

1

j

,

i

2

ij

j

,

1

i

2

2

H

h

h

u

u

h

u

u

u

h

u

background image

Wielkość:

 

Uh

h

h

x

u

u

nazywamy błędem rozwiązania przybliżonego u

h

.

U

h

dąży do rozwiązania dokładnego u(x), jeżeli

 

0

x

u

u

lim

Uh

h

0

h

Jeżeli można znaleźć taką funkcję (h), że

 

 

h

x

u

u

Uh

h

to mówimy, że zostało znalezione oszacowanie błędu.

background image

3. Stabilność

ih

h

ih

h

h

h

u

r

f

u

R

Różnicowe zagadnienie brzegowe jest stabilne, jeżeli istnieją
takie liczby >0 i h

0

>0, że dla dowolnych h<h

0

i f

h

F

h

, takich,

że ||f

h

||

Fh

< zadanie brzegowe:

ih

ih

h

ih

h

h

h

h

z

r

f

f

z

R

posiada jedno jednoznaczne rozwiązanie i zachodzi:

Fh

h

Uh

h

h

f

C

u

z

gdzie C stała niezależna od h.

background image

Twierdzenie wiążące stabilność i zbieżność:

Jeżeli zadanie różnicowe

ih

h

ih

h

h

h

u

r

f

u

R

jest przybliżeniem różniczkowego problemu brzegowego:

f

Lu

1,2,...p

i

dla

u

l

i

x

i

i

i rozwiązanie u

h

jest stabilne wtedy zachodzi

 

0

x

u

u

lim

Uh

h

0

h

i rząd zbieżności w funkcji h jest taki sam jak rząd aproksymacji.

background image

Zastępowanie pochodnych ilorazami różnicowymi

na siatce prostokątnej

i-1

i

i+1

k-1

k

k+1

24

h

x

u

6

h

x

u

2

h

x

u

h

x

u

u

u

4

i

ik

4

4

3

i

ik

3

3

2

i

ik

2

2

i

ik

ik

k

,

1

i

24

h

x

u

6

h

x

u

2

h

x

u

h

x

u

u

u

4

i

ik

4

4

3

i

ik

3

3

2

i

ik

2

2

i

ik

ik

k

,

1

i

h

i

h

k

 
 

2

k

2

k

1

k

,

i

1

k

,

i

2

i

2

i

k

,

1

i

k

,

1

i

h

O

h

2

u

u

y

u

h

O

h

2

u

u

x

u

background image

i-1

i

i+1

k-1

k

k+1

h

i

h

k

Druga pochodna dodając

stronami:

24

h

x

u

6

h

x

u

2

h

x

u

h

x

u

u

u

4

i

ik

4

4

3

i

ik

3

3

2

i

ik

2

2

i

ik

ik

k

,

1

i

24

h

x

u

6

h

x

u

2

h

x

u

h

x

u

u

u

4

i

ik

4

4

3

i

ik

3

3

2

i

ik

2

2

i

ik

ik

k

,

1

i

 

 

2

k

2

k

1

k

,

i

ik

1

k

,

i

2

2

2

i

2

i

k

,

1

i

ik

k

,

1

i

2

2

h

O

h

u

u

2

u

y

u

h

O

h

u

u

2

u

x

u

background image

i-1

i

i+1

k-1

k

k+1

h

i

h

k

Dla pochodnej mieszanej





i

3

k

k

3

i

k

i

1

k

,

1

i

1

k

,

1

i

1

k

,

1

i

1

k

,

1

i

2

h

h

,

h

h

max

O

h

h

4

u

u

u

u

y

x

u

background image

Konstrukcja warunków brzegowych na siatce

i

k

 

k

,

i

h

 

i

k

i

ik

x

k

ik

x

1. Przeniesienie wartości:

Przyjmujemy:

 

i

k

k

ik

k

i

i

ik

h

dla

x

dla

x

k

,

i

r(i,k,)

lub

 

 

,

k

,

i

r

min

x

h

x

k

,

i

background image

2. Interpolacja liniowa dla warunku brzegowego Dirichleta

i,k

i-1,k

i+1,k

h

Zakładając liniowy rozkład rozwiązania między sąsiednimi
węzłami mamy:

)

x

(

u

h

x

x

u

h

x

x

u

1

i

ik

i

k

,

1

i

i dla x=x

i

+ mamy:

 

i

ik

k

,

1

i

h

1

u

h

u

 

i

background image

3. Interpolacja liniowa dla warunku brzegowego Neumanna.

n

i,k

i-1,k

i,k-1

h

k

h

i

 

k

,

i

sin

h

u

u

cos

h

u

u

k

1

k

,

i

ik

i

k

,

1

i

ik

background image

y

,

x

y

,

x

u

y

,

x

d

n

u

y

,

x

c

Równania eliptyczne

Dla uproszczenia rozważań będą analizowane przypadki

dwuwymiarowe x=(x,y)

y

,

x

f

u

y

,

x

g

y

u

y

,

x

b

y

x

u

y

,

x

a

x









Warunki brzegowe:

background image

1

2

3

4

5

6

7

8

9 x(i)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 y(k)

h

y

h

x

(0,0)

j

j+1

j-1

l

p

background image

y

,

x

f

u

y

,

x

g

y

u

y

,

x

b

y

x

u

y

,

x

a

x









Dla węzłów wewnętrznych będzie:

j

j+1

j-1

l

p

j

j

j

y

l

p

y

l

p

2

y

p

j

l

j

x

1

j

1

j

x

1

j

1

j

2

x

1

j

j

1

j

j

f

u

g

h

2

u

u

h

2

b

b

h

u

u

2

u

b

h

2

u

u

h

2

a

a

h

u

u

2

u

a

lub w formie macierzowej:

f

u

A

w

background image

h

y

h

x

(0,0)

j

j+1

j-1

l

p

background image

styczna

normalna

y

,

x

y

,

x

u

y

,

x

d

n

u

y

,

x

c

p

Przyjmując:

(xk

p

,yk

p

)

p

p

p

p

p

p

p

p

p

yk

,

xk

d

d

yk

,

xk

c

c

yk

,

xk

p-1

m

p

otrzymujemy:

p

p

p

p

y

p

m

p

x

1

p

p

p

u

d

sin

h

u

u

cos

h

u

u

c





background image

Uwaga dotycząca błędu obliczeń.
Generalnie jeżeli węzły nie leżą na krzywej brzegowej
i liczymy metodą przeniesienia wartości, to dokładność
obliczeń jest rzędu h. Jeżeli węzły na krzywej brzegowej
bądź wyliczamy wartości funkcji brzegowej interpolując
liniowo dokładność wzrasta do h

2

.

W zagadnieniu Dirichleta oprócz trudności z wyznaczeniem

wartości brzegowych nie ma innych problemów i otrzymany

układ równań algebraicznych najczęściej można rozwiązać

bez kłopotów.

Sytuacja może się komplikować przy zagadnieniu Neumanna.

Siatki praktycznie nie stosowane w zagadnieniach

eliptycznych liniowych i nieliniowych.

background image

Równania opisujące ewolucję układu w czasie

Równania paraboliczne

Dane jednowymiarowe równanie przewodnictwa:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

0,

t

dla

t

f

t

1,

u

t

f

t

,

0

u

0,1

x

dla

x

0

,

x

u

T

0,

t

0,1

x

dla

t

,

x

f

,

u

,

u

2

1

0

xx

t

x

t

0

1

h

i-1 i i+1

k+1
k
k-1

background image

x

t

0

N

h

i-1 i i+1

k+1
k
k-1

Oznaczamy operator różnicy II rzędu:

2

k

1

i

k

i

k

1

i

k

i

h

u

u

2

u

u

i wprowadzamy schematy różnicowe z wagą :

k

i

k

i

1

k

i

k

i

1

k

i

u

1

u

u

u

N

,

0

i

i

K

,

0

k

5

.

0

k

,

x

f

i

k

i

background image

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

0,

t

dla

t

f

t

1,

u

t

f

t

,

0

u

0,1

x

dla

x

0

,

x

u

T

0,

t

0,1

x

dla

t

,

x

f

,

u

,

u

2

1

0

xx

t

k

i

k

i

1

k

i

k

i

1

k

i

u

1

u

u

u

Problem brzegowy jest aproksymowany przez

 

i

0

i

ih

u

dla i=1,2,...N

 

 

k

2

k

N

k

1

k

0

2

1

f

k

f

u

f

k

f

u

dla k=1,2,...,K.

Warunki zgodności

background image

k+1
k

i-1 i i+1

Schemat sześciowęzłowy

k

i

k

i

1

k

i

k

i

1

k

i

u

1

u

u

u

Jeżeli =0 schemat jest

nazywany jawnym lub
explicite

k+1
k

i-1 i i+1

Jeżeli 0 schemat jest

nazywany niejawnym lub
implicite

k+1
k

i-1 i i+1

background image

k+1
k

i-1 i i+1

Wartości w warstwie k+1
otrzymujemy rozwiązując
układ równań:

k

i

k

i

k

i

1

k

i

1

k

i

u

1

u

1

u

u

1

Czysto niejawny schemat:

k+1
k

i

1

k+1
k

i-1 i i+1

Schemat Cranka - Nicholsona:

5

.

0

background image

Oszacowanie dokładności aproksymacji.

Rozwiązanie dokładne zagadnienia brzegowego

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

0,

t

dla

t

f

t

1,

u

t

f

t

,

0

u

0,1

x

dla

x

0

,

x

u

T

0,

t

0,1

x

dla

t

,

x

f

,

u

,

u

2

1

0

xx

t

jest u(x,t) i jego wartość w węzłach (x

i

,t

k

) siatki będzie oznaczana

u(i,k).

Rozwiązanie zagadnienia brzegowego sformułowanego dyskretnie

k

2

k

N

k

1

k

0

i

0

i

k

i

k

i

1

k

i

k

i

1

k

i

f

u

f

u

u

u

1

u

u

u

jest

k

i

u

Błąd aproksymacji

k

i

z

jest

)

k

,

i

(

u

u

z

k

i

k

i

background image

Dla oceny błędu

k

i

z

w kroku k-tym wprowadza się normę, np.:

k

i

N

,

0

i

z

max

z

lub

 

1

N

1

i

2

k

i

z

h

z

Z

)

k

,

i

(

u

u

z

k

i

k

i

wynika, że

)

k

,

i

(

u

z

u

k

i

k

i

i podstawiając do
w miejsce

otrzymujemy

równoważne

zadanie różnicowe

dla

k

2

k

N

k

1

k

0

i

0

i

k

i

k

i

1

k

i

k

i

1

k

i

f

u

f

u

u

u

1

u

u

u

k

i

u

k

i

z

0

z

0

z

0

z

z

1

z

z

z

k

N

k

0

0

i

k

i

k

i

1

k

i

k

i

1

k

i

background image

0

z

0

z

0

z

z

1

z

z

z

k

N

k

0

0

i

k

i

k

i

1

k

i

k

i

1

k

i

gdzie

 

  

  

k

i

k

i

k

,

i

u

1

k

,

i

u

k

,

i

u

1

1

k

,

i

u

błąd schematu różnicowego
w stosunku do rozwiązania
dokładnego u(x,t).

k

2

k

N

k

1

k

0

i

0

i

k

i

k

i

1

k

i

k

i

1

k

i

f

u

f

u

u

u

1

u

u

u

background image

Mówimy, że

k

2

k

N

k

1

k

0

i

0

i

k

i

k

i

1

k

i

k

i

1

k

i

f

u

f

u

u

u

1

u

u

u

przybliża rozwiązanie problemu brzegowego

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

0,

t

dla

t

f

t

1,

u

t

f

t

,

0

u

0,1

x

dla

x

0

,

x

u

T

0,

t

0,1

x

dla

t

,

x

f

,

u

,

u

2

1

0

xx

t

z dokładnością rzędu (m,n) lub O(h

m

+

n

), jeżeli

 

  

  

k

i

k

i

k

,

i

u

1

k

,

i

u

k

,

i

u

1

1

k

,

i

u

spełnia nierówność:

n

m

h

M

gdzie M - stała.

background image

Dla uproszczenia zapisu wprowadzamy:

  

u

k

,

i

u

1

k

,

i

u

i mamy:

  

  

  

u

5

.

0

k

,

i

u

1

k

,

i

u

5

.

0

k

,

i

u

1

k

,

i

u

5

.

0

k

,

i

u

1

k

,

i

u

5

.

0

1

k

,

i

u

 

  

u

5

.

0

k

,

i

u

1

k

,

i

u

5

.

0

k

,

i

u

 

  

  

 

 

  



u

5

.

0

k

,

i

u

1

k

,

i

u

5

.

0

k

,

i

u

u

k

,

i

u

k

,

i

u

1

k

,

i

u

k

,

i

u

1

1

k

,

i

u

Uwzględniając powyższe równości i podstawiając do

background image

 

  

  

k

i

k

i

k

,

i

u

1

k

,

i

u

k

,

i

u

1

1

k

,

i

u

mamy

  

k

i

k

i

u

5

.

0

k

,

i

u

1

k

,

i

u

5

.

0

Rozwijając funkcje u(n,p) w szereg Taylora w otoczeniu

punktu: x

i

,t

k

+0.5  oraz wprowadzając oznaczenie:

u

5

.

0

t

,

x

u

k

i

Będziemy mieli:

background image

 

 

 

 

 

 

 

2

t

3

tt

2

3

tt

2

t

3

tt

2

t

4

xxxx

2

xx

O

,

u

u

O

,

u

8

u

)

k

,

i

(

u

1

k

,

i

u

5

.

0

O

,

u

8

,

u

5

.

0

u

k

,

i

u

O

,

u

8

,

u

5

.

0

u

1

k

,

i

u

h

O

,

u

12

h

,

u

k

,

i

u

Uwzględniając powyższe zależności można

  

k

i

k

i

u

5

.

0

k

,

i

u

1

k

,

i

u

5

.

0

zapisać w postaci:

background image

4

2

xxxx

2

txx

k

i

t

xx

k

i

h

O

,

u

12

h

,

u

5

.

0

,

u

,

u

Ale

0

f

,

u

,

u

t

xx

gdyż u jest rozwiązaniem dokładnym

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

0,

t

dla

t

f

t

1,

u

t

f

t

,

0

u

0,1

x

dla

x

0

,

x

u

T

0,

t

0,1

x

dla

t

,

x

f

,

u

,

u

2

1

0

xx

t

i w każdym punkcie obszaru spełnia równanie paraboliczne.

Uwzględniając, że

xx

txx

xxxx

,

f

,

u

,

u

mamy

2

4

xx

2

txx

2

k

i

k

i

h

O

,

f

12

h

,

u

12

h

5

.

0

f

background image

2

4

xx

2

txx

2

k

i

k

i

h

O

,

f

12

h

,

u

12

h

5

.

0

f

Jeżeli wyrażenie w nawiasie kwadratowym jest równe zeru, tzn.:

12

h

5

.

0

0

12

h

5

.

0

2

2

oraz

xx

2

k

i

,

f

12

h

f

W obliczeniach numerycznych wygodniej przyjąć:

5

.

0

k

1

i

5

.

0

k

1

i

5

.

0

k

i

k

i

f

f

12

1

f

6

5

to schemat ma
dokładność O(h

4

+

2

)

background image

k

2

k

N

k

1

k

0

i

0

i

k

i

k

i

1

k

i

k

i

1

k

i

f

u

f

u

u

u

1

u

u

u

Schemat:

z

5

.

0

k

1

i

5

.

0

k

1

i

5

.

0

k

i

k

i

f

f

12

1

f

6

5

jest schematem o podwyższonej dokładności wynoszącej:

2

4

h

O

Jeżeli  =0.5 jak w schemacie Cranka-Nicholsona, to

2

4

xx

2

txx

2

k

i

k

i

h

O

,

f

12

h

,

u

12

h

5

.

0

f

background image

2

4

xx

2

txx

2

k

i

k

i

h

O

,

f

12

h

,

u

12

h

5

.

0

f

i dla =0.5 mamy:

2

2

k

i

k

i

h

O

f

Dla zachowania oceny zbieżności O(h

2

+

2

) należy przyjąć:

5

.

0

k

i

k

i

f

lub

k

i

1

k

i

k

i

f

f

5

.

0

Jeżeli 0.5 i 

*

, to dokładność obliczeń jest rzędu O(h

2

+).

background image

Stabilność

 

 

 

 

 

T

0,

t

dla

0

t

1,

u

0

t

,

0

u

0,1

x

dla

0

0

,

x

u

T

0,

t

0,1

x

dla

,

u

,

u

xx

t

0

u

0

u

0

u

u

1

u

u

u

k

N

k

0

0

i

k

i

1

k

i

k

i

1

k

i

Zbadamy zachowanie się schematu:

jawnego tj.  =0

background image

0

u

0

u

0

u

u

u

2

u

h

u

u

k

N

k

0

0

i

k

1

i

k

i

k

1

i

2

k

i

1

k

i

Schemat jest

Przyjmijmy:

1

h

2

i załóżmy, że warunek początkowy w

punkcie i-tym jest dany z błędem  . Badamy jak przenosi się błąd
na siatce.

background image

x

t

0

N

0

0

u

0

u

i

n

i

n

0

u

u

u

u

u

k

N

k

0

0

n

k

1

i

k

i

k

1

i

1

k

i

2

3

2

3

6

7

6

3

4

10

16

19

16

10

4

5

15

30

45

51

45

30

15

5

0

0

6

21

50

90

126

141

126

90

50

20 0

Schemat jawny
z =0 i

1

h

2

background image

x

t

0

N

0

0

u

0

u

i

n

i

n

0

u

u

1

.

0

u

8

.

0

u

1

.

0

u

k

N

k

0

0

n

k

1

i

k

i

k

1

i

1

k

i

1

.

0

8

.

0

1

.

0

01

.

0

16

.

0

66

.

0

16

.

0

01

.

0

01

.

0

02

.

0

2

.

0

56

.

0

2

.

0

02

.

0

01

.

0

0

01

.

0

04

.

0

22

.

0

49

.

0

22

.

0

04

.

0

01

.

0

0

0

0

01

.

0

06

.

0

23

.

0

44

.

0

23

.

0

06

.

0

01

.

0

0

0

0

0

0

01

.

0

07

.

0

23

.

0

4

.

0

07

.

0

01

.

0

0

0

Schemat jawny
z =0 i

1

.

0

h

2

Obliczenia z dokładnością do 2 miejsc

23

.

0

background image

Analiza stabilności metodą spektralną

Niech rozwiązanie jednorodnego zagadnienia różnicowego:

0

u

0

u

u

u

1

u

u

u

k

N

k

0

n

0

n

k

n

1

k

n

k

n

1

k

n

ma postać

in

exp

u

k

k

n

gdzie

1

i

2

1

n

i

in

1

n

i

k

k

n

h

e

e

2

e

u

background image

ale

2

sin

e

4

i

2

e

e

e

4

e

2

e

e

e

e

2

e

2

in

2

2

i

2

i

in

i

i

in

1

n

i

in

1

n

i

Po podstawieniu do

k

n

1

k

n

k

n

1

k

n

u

1

u

u

u

mamy

2

sin

e

1

h

4

2

sin

e

h

4

e

e

2

in

k

2

2

in

1

k

2

in

k

in

1

k



background image

2

sin

h

4

1

2

sin

h

1

4

1

2

2

2

2

Po podzieleniu przez

in

k

e

otrzymujemy równanie:

Warunek konieczny stabilności Neumanna stwierdza, że schemat
różnicowy jest stabilny, jeżeli

1

Dla =0 mamy

2

sin

h

4

1

2

2

background image

i na podstawie kryterium Neumanna otrzymujemy:

1

2

sin

h

4

1

2

2

czyli

0

2

sin

h

4

2

2

2

Dla = znajdujemy warunek na stosunek:

2

1

h

2

2

1

h

2

Warunkiem zbieżności schematu jawnego jest spełnienie

powyższego warunku. Warunek jest również prawdziwy

dla schematu jawnego w przypadku wielowymiarowego

równania parabolicznego.

background image

Dowolne >0.

Ocenę prowadzimy przy =.

1

h

4

1

h

1

4

1

2

2

czyli

2

2

2

h

4

1

h

1

4

1

h

4

1

Prawa nierówność jest spełniona dla dowolnych , a z lewej

mamy:

4

h

2

1

2

background image

4

h

2

1

2

Dla  spełniających nierówność:

1

h

4

1

h

1

4

1

2

2

warunek:

jest spełniony dla dowolnego stosunku

2

h

W szczególności schemat Cranka-Nicholsona =0.5 jest stabilny

dla dowolnego stosunku kroków

2

h

background image

Dla schematu o podwyższonej dokładności

12

h

5

.

0

2

mamy

4

h

2

1

2

bo

4

h

12

h

2

2

Przedstawione rozważania można rozszerzyć na przypadki

wielowymiarowe jak również na równania o zmiennych

współczynnikach.

W przypadku równań wielowymiarowych ocena zbieżności

zależy również od sposobu aproksymacji warunków

brzegowych podobnie jak w przypadku równań eliptycznych.

background image

 

 

 

 

 

 

 

 

t

e

L

,

t

u

t

e

0

,

t

u

x

w

x

,

0

,

u

x

w

x

,

0

u

,

u

v

,

u

L

P

1

t

0

xx

2

tt

Równania hiperboliczne

Jako przykład zostanie rozpatrzone równanie linii długiej
bez strat o długości L. Dla napięcia u mamy:

Wprowadzamy siatkę prostokątną:

background image

x

t

0

N

h

i-1 i i+1

k+1
k
k-1

i funkcję węzłową oznaczamy:

ih

x

,

k

t

u

u

i

k

k

i

Przyjmujemy aproksymację pochodnych:

 

2

1

k

i

k

i

1

k

i

k

i

tt

v

u

u

2

u

Du

,

u

i

2

k

1

i

k

i

k

1

i

k

i

xx

h

u

u

2

u

u

,

u

background image

i rozpatrujemy następujący schemat trójwarstwowy

z parametrem >0:

i

1

0

i

1

i

i

0

0

i

k

L

k

N

k

P

k

0

1

k

i

k

i

1

k

i

k

i

w

~

u

u

w

u

e

u

e

u

u

u

2

1

u

Du

gdzie warunek początkowy

i

1

w

~ konstruujemy tak, aby

zachować rząd aproksymacji O(

2

).

background image

Mamy

 

 

 

 

 

3

0

t

tt

2

0

t

t

O

t

,

x

,

u

5

.

0

t

,

x

,

u

0

,

x

u

,

x

u

czyli

 

2

0

t

tt

i

0

t

t

i

0

i

1

i

O

,

u

5

.

0

,

u

u

u

Z równania falowego mamy:

 

2

i

2

tt

i

h

O

u

v

,

u

Warunek początkowy dla pierwszej pochodnej będzie określony

z dokładnością O(h

2

+

2

), jeżeli przyjąć, że

2

2

i

0

2

i

1

0

i

1

i

h

O

w

v

5

.

0

w

u

u

czyli

i

0

2

i

1

i

1

w

v

5

.

0

w

w

~

background image

Ostatecznie schemat różnicowy dla rozwiązania równania

falowego jest

 

i

0

2

i

1

i

0

1

i

i

0

0

i

k

L

k

N

k

P

k

0

1

k

i

k

i

1

k

i

k

i

w

v

5

.

0

w

w

u

w

u

e

u

e

u

u

u

2

1

u

Du

Ocena dokładności aproksymacji

Postępujemy podobnie jak poprzednio, a więc niech

k

i

k

i

k

i

t

,

x

u

u

z

background image

gdzie

k

i

u

jest rozwiązaniem różnicowego zagadnienia

 

i

0

2

i

1

i

0

1

i

i

0

0

i

k

L

k

N

k

P

k

0

1

k

i

k

i

1

k

i

k

i

w

v

5

.

0

w

w

u

w

u

e

u

e

u

u

u

2

1

u

Du

a u(x

i

,t

k

) jest rozwiązaniem problemu brzegowego:

 

 

 

 

 

 

 

 

t

e

L

,

t

u

t

e

0

,

t

u

x

w

x

,

0

,

u

x

w

x

,

0

u

,

u

v

,

u

L

P

1

t

0

xx

2

tt

w punkcie x

i

,t

k

.

background image

Pisząc

k

i

k

i

k

i

t

,

x

u

z

u

otrzymujemy:

i

1

i

0

i

k

N

k

0

k

i

1

k

i

k

i

1

k

i

k

i

z

0

z

0

z

0

z

z

z

2

1

z

Dz

gdzie

 

 

 

i

0

2

i

1

i

i

0

i

k

i

1

k

i

k

i

1

k

i

k

i

w

v

5

.

0

w

1

,

x

u

w

t

,

x

Du

t

,

x

u

t

,

x

u

2

1

t

,

x

u

Z konstrukcji warunku początkowego dla pochodnej wynika, że

2

2

i

h

O

background image

Rozwijając w szereg Taylora mamy:

 

2

t

,

x

tt

k

i

1

k

i

1

k

i

k

i

,

u

t

,

x

u

2

t

,

x

u

t

,

x

u

Korzystając z otrzymanego wyniku mamy:

 

 

k

i

t

,

x

tt

2

k

i

k

i

1

k

i

1

k

i

,

u

t

,

x

u

t

,

x

u

2

1

t

,

x

u

t

,

x

u



Stąd otrzymujemy z dokładnością do małych 4-go rzędu:

 

 

k

i

2

2

4

t

,

x

t

x

2

x

2

xx

1

k

i

k

i

1

k

i

,

u

,

u

12

h

,

u

t

,

x

u

t

,

x

u

2

1

t

,

x

u



background image

Podobnie

k

i

4

t

,

x

t

2

2

tt

2

k

i

,

u

v

12

,

u

v

1

t

,

x

Du

z dokładnością do małych 4-go rzędu. Ostatecznie otrzymujemy
ocenę błędu:

k

i

4

2

2

4

t

,

x

t

2

2

t

x

2

x

2

tt

2

xx

k

i

,

u

v

12

,

u

,

u

12

h

,

u

v

1

,

u



Funkcja u spełnia równanie falowe, a więc

tt

2

xx

,

u

v

1

,

u

stąd

2

2

k

i

h

O

niezależnie od

!!!

background image

Oznacza to również zależność odwrotną, a mianowicie

dobór zależy tylko i wyłącznie od stabilności, a nie ma

wpływu na dokładność obliczeń.

Stabilność

 

n

0

2

n

1

n

0

1

n

n

0

0

n

k

N

k

0

1

k

n

k

n

1

k

n

k

n

w

v

5

.

0

w

w

u

w

u

0

u

0

u

u

u

2

1

u

Du

Analizujemy stabilność schematu różnicowego przy jednorodnych
warunkach brzegowych:

background image

Przyjmujemy rozwiązanie w postaci:

in

exp

u

k

k

n

1

k

n

k

n

1

k

n

k

n

u

u

2

1

u

Du

i podstawiając do równania różnicowego:

po wykonaniu kilku przekształceń otrzymujemy:

2

sin

2

1

h

v

2

2

2

1

k

k

1

k

2

1

k

k

1

k





Dzieląc równanie przez 

k-1

i grupując wyrazy otrzymujemy

równanie określające :

0

1

2

sin

h

v

2

1

2

sin

h

v

2

2

1

2

1

1

2

2

2

2

background image

0

1

r

4

1

r

2

1

2

2

2

2





Badamy pierwiastki równania:

gdzie

h

v

r

przy =.

Wyróżnik:

2

2

2

2

r

1

4

1

r

4

1

r

4

Jeżeli <0, to równanie ma dwa sprzężone pierwiastki

zespolone 

1

, 

2

o module równym 1 co wynika ze wzoru

Viety:

1

2

1

2

1

Dla =0 otrzymujemy warunek Couranta:

1

h

v

r

background image

który oznacza, że prędkość wędrówki fali na siatce h/

jest większa od prędkości fazowej.

1

h

v

r

Przypadek 0 prowadzi do pierwiastków większych co

do modułu od jedności i dlatego należy te przypadki

odrzucić.

Analizę można rozszerzyć na przypadki wielowymiarowe.

background image

Wady i zalety metody różnicowej

Zalety:
1. Proste konstruowanie siatki podziałowej.
2. Prosta konstrukcja układu równań różnicowych szczególnie
w środowiskach izotropowych.
3. Opracowane oceny błędów metody i warunki stabilności.

Wady:
1. Duże trudności z dobrą aproksymacją brzegu lub wymuszony
mały krok siatki.
2. Trudności z utrzymaniem rzędu aproksymacji przy interpolacji
warunków brzegowych.
3. Praktycznie konieczność obliczania całego obszaru z tym
samym krokiem podziałowym.


Document Outline


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
wyklad 14 15 2010
Wyklad mn 2
Wyklad mn 9
IS wyklad 14 15 01 09 MDW id 22 Nieznany
pmp wykład 03 15
pmp wykład 02 15
F' [T] wykłady zima 15 4r
IS 2011 12 wyklad 11 15 12 2011 MDW
PATOMORFOLOGIA wykład 14, PATOMORFOLOGIA wykład 14 (15 I 01)
Wyklad15, Przykład 15
F' Test z wykładów 4r 15
fizykoterapia - wyklad viii - 15.04.
Wyklady, return, 15. Elementy topograficzne ko˝czyny dolnej, Elementy topograficzne kończyny dolnej
fizykoterapia - wyklad viii - 15.04.
Wyklady, return, 15. Elementy topograficzne ko˝czyny dolnej, Elementy topograficzne kończyny dolnej
Wyklad mn no 8 piątek
Wyklad mn 16
Wyklad mn 9
Wyklad mn 3

więcej podobnych podstron