Xreferat.com » Рефераты по математике » Методы коллокаций и Галеркина

Методы коллокаций и Галеркина

Метод коллокаций


Пусть необходимо определить функциюМетоды коллокаций и Галеркина, удовлетворяющую линейному дифференциальному уравнению


Методы коллокаций и Галеркина (2.50)


и линейными краевыми условиями


Методы коллокаций и Галеркина, (2.51)


причем Методы коллокаций и Галеркина


Выберем некоторую совокупность линейно независимых функций


Методы коллокаций и Галеркина (2.52)


которую назовем системой базисных функций.

Пусть функция Методы коллокаций и Галеркина удовлетворяет неоднородным краевым условиям


Методы коллокаций и Галеркина (2.53)

а остальные функции удовлетворяют соответствующим однородным краевым условиям:


Методы коллокаций и Галеркина. (2.54)


Если краевые условия (2.51) однородны (A=B=0), то можно положить Методы коллокаций и Галеркина и рассматривать лишь систему функций Методы коллокаций и Галеркина.

Будем искать приближенное решение краевой задачи (2.50), (2.51) в виде линейной комбинации базисных функций


Методы коллокаций и Галеркина. (2.55)


Тогда функция y удовлетворяет краевым условиям (2.51). В самом деле, в силу линейности краевых условий имеем


Методы коллокаций и Галеркина


и аналогично Методы коллокаций и Галеркина

Составим функцию Методы коллокаций и Галеркина. Подставляя сюда вместо y выражение (2.55), будем иметь


Методы коллокаций и Галеркина.(2.56)


Если при некотором выборе коэффициентов ci выполнено равенство

Методы коллокаций и Галеркина при Методы коллокаций и Галеркина


то функция y является точным решением краевой задачи (2.50), (2.51). Однако подобрать так удачно функции Методы коллокаций и Галеркина и коэффициенты ci в общем случае не удается. Поэтому ограничиваются тем, что требуют, чтобы функция Методы коллокаций и Галеркина обращалась в нуль в заданной системе точек Методы коллокаций и Галеркина из интервала [ab], которые называются точками коллокации. Сама функция R называетсяневязкой уравнения (2.50). Очевидно, что в точках коллокации дифференциальное уравнение (2.50) будет удовлетворено точно, и невязка в этих точках равна нулю.

Итак, метод коллокации приводит к системе линейных уравнений


Методы коллокаций и Галеркина. (2.57)


Из системы (2.57) в случае ее совместности можно определить коэффициенты Методы коллокаций и Галеркина, после чего приближенное решение краевой задачи дается формулой (2.55).


Пример. Методом коллокации и методом сеток решить краевую задачу


Методы коллокаций и Галеркина  (2.58)


1. Метод коллокаций.

В качестве базисных функций выберем полиномы

Методы коллокаций и Галеркина.


Эти полиномы удовлетворяют краевым условиям: Методы коллокаций и Галеркина За точки коллокации возьмем следующие абсциссы:


Методы коллокаций и Галеркина


Ограничиваясь двумя базисными функциями, положим


Методы коллокаций и Галеркина


Найдем функцию Методы коллокаций и Галеркина


Методы коллокаций и Галеркина  (2.59)

В точках коллокации Методы коллокаций и Галеркина получим


Методы коллокаций и Галеркина.


Подставляя сюда (2.59), найдем


Методы коллокаций и Галеркина (2.60)

Решив эту систему, определим коэффициенты Методы коллокаций и Галеркина:

Методы коллокаций и Галеркина=0.957, Методы коллокаций и Галеркина=− 0.022.

Следовательно, приближенное решение будет иметь вид


Методы коллокаций и Галеркина.


Например, при x=0 получим y(0)=0.957.

2. Метод сеток.

Для грубого решения выбираем шаг h=1/2 (см. рис. 2).




Методы коллокаций и Галеркина



Рис. 2. Иллюстрация к методу сеток


Полагая Методы коллокаций и Галеркина, ввиду симметрии уравнения и краевых условий, будем иметь:


Методы коллокаций и Галеркина  (2.61)


Таким образом, нужно определить лишь две ординаты y0 и Методы коллокаций и Галеркина. Полагая x=0 и пользуясь симметричными формулами для производных


Методы коллокаций и Галеркина,

получим:


Методы коллокаций и Галеркина


Аналогично, при x=1/2, то есть при i=1, получаем


Методы коллокаций и Галеркина


Учитывая теперь (2.61), найдем систему


Методы коллокаций и Галеркина


Решая эту систему, отыщем y0=0.967, y1=0.721. Итак, сравним: метод коллокации дает y0=0.957, а метод сеток y0=0.967.


Метод Галеркина


Пусть дано дифференциальное уравнение с линейными краевыми условиями


Методы коллокаций и Галеркина, (2.62)

Методы коллокаций и Галеркина  (2.63)

Будем искать приближенное решение этой краевой задачи в виде суммы


Методы коллокаций и Галеркина (2.64)


где Методы коллокаций и Галеркина – некоторая непрерывная функция, удовлетворяющая неоднородным краевым условиям (2.63), а Методы коллокаций и Галеркина – какая-то система линейно независимых функций, удовлетворяющих однородным краевым условиям


Методы коллокаций и Галеркина (2.65)


и, кроме того функции Методы коллокаций и Галеркинапри Методы коллокаций и Галеркина образуют в классе функций c2[a, b], удовлетворяющих условиям (2.65), полную систему.

Заметим, что свойство полноты понимается следующим образом.

Обозначим через G класс функций y(x), принадлежащих c2[ab] (то есть дважды непрерывно дифференцируемых на [a, b]) и удовлетворяющих граничным условиям (2.65). Говорят, что система функций Методы коллокаций и Галеркина полна в классе G, если для любого Методы коллокаций и Галеркина и любой функции Методы коллокаций и Галеркина можно указать такое n и такие параметры Методы коллокаций и Галеркина, что имеет место неравенство


Методы коллокаций и Галеркина

где Методы коллокаций и Галеркина

Это означает, что для любой допустимой функции Методы коллокаций и Галеркина найдется такая функция Методы коллокаций и Галеркина, которая на [ab] будет сколь угодно точно приближать функцию y(x) вместе с ее производными Методы коллокаций и Галеркина и Методы коллокаций и Галеркина.

Докажем, что если для некоторой функции F(x) и полной системы функций Методы коллокаций и Галеркина выполняется соотношение ортогональности


Методы коллокаций и Галеркина (2.66)


то функция Методы коллокаций и Галеркина. Для этого из полной системы Методы коллокаций и Галеркина последовательной ортогонализацией построим полную ортогональную систему Методы коллокаций и Галеркина


Методы коллокаций и Галеркина


причем Методы коллокаций и Галеркина иначе Методы коллокаций и Галеркина были бы линейно зависимы. Разлагая по новой системе функцию F(x), найдем


Методы коллокаций и Галеркина


Подставляя это разложение в соотношение ортогональности (2.66), придем к равенству


Методы коллокаций и Галеркина (2.67)

Вычислим последний интеграл:


Методы коллокаций и Галеркина

Методы коллокаций и Галеркина

Методы коллокаций и Галеркинатак как Методы коллокаций и Галеркина


Таким образом, уравнение (2.67) принимает вид


Методы коллокаций и Галеркина.


Полагая здесь k=1, получим Методы коллокаций и Галеркина, и так как Методы коллокаций и Галеркина, то Методы коллокаций и Галеркина. Полагая k=2, получим Методы коллокаций и Галеркина, и так далее. Следовательно, все коэффициенты Методы коллокаций и Галеркина в разложении функции F(x) равны нулю и поэтому F(x) тождественно равна нулю, что и требовалось доказать.

Возвращаясь теперь к задаче (2.62), (2.63), видим, что если бы мы нашли такую функцию y(x), удовлетворяющую условиям (2.63), и чтобы Методы коллокаций и Галеркина было ортогонально Методы коллокаций и Галеркина при любых Методы коллокаций и Галеркина, то это означало бы, что Методы коллокаций и Галеркина, и задача (2.62), (2.63) была бы решена. Если же ортогональность есть только при Методы коллокаций и Галеркина, то в разложении Методы коллокаций и Галеркина по системе Методы коллокаций и Галеркина входят Методы коллокаций и Галеркина и более старшие коэффициенты, то есть Методы коллокаций и Галеркина

Метод Галеркина состоит в том, что решение задачи (2.62), (2.63) ищется в виде (2.64), причем требуют ортогональности Методы коллокаций и Галеркина к функциям полной системы Методы коллокаций и Галеркина для Методы коллокаций и Галеркина, то есть


Методы коллокаций и Галеркина  (2.68) где

Методы коллокаций и Галеркина


Это дает алгебраическую систему уравнений для определения коэффициентов ak. Найдя из нее коэффициенты, получим приближенное решение.

Если оператор Методы коллокаций и Галеркина нелинейный, то система (2.68) тоже будет нелинейной и решение ее весьма затруднительно. Если же оператор Методы коллокаций и Галеркина линейный, то система (2.68) также будет линейной и можно решать задачу с большим числом коэффициентов.

В методе Галеркина функция Методы коллокаций и Галеркина должна удовлетворять краевым условиям (2.63). Поэтому Методы коллокаций и Галеркина можно выбрать в виде


Методы коллокаций и Галеркина,


и коэффициенты Методы коллокаций и Галеркина найти как решение системы уравнений


Методы коллокаций и Галеркина

Таким же образом отыскиваются функции Методы коллокаций и Галеркина. Выберем, например, полную систему Методы коллокаций и Галеркина в виде многочленов последовательных степеней:


Методы коллокаций и Галеркина.


Коэффициенты Методы коллокаций и Галеркина найдем из однородных краевых условий (2.65)


Методы коллокаций и Галеркина (2.65а)


при всех Методы коллокаций и Галеркина.

Так, для Методы коллокаций и Галеркина Методы коллокаций и Галеркина и условия (2.65а) принимают вид:


Методы коллокаций и Галеркина


В этой системе из двух уравнений три неизвестных: Методы коллокаций и Галеркина Методы коллокаций и Галеркина и Методы коллокаций и Галеркина. Одну из них можно выбрать произвольно, положив, например, Методы коллокаций и Галеркина. Аналогично отыскивают коэффициенты Методы коллокаций и Галеркина для Методы коллокаций и Галеркина.

Для простых условий вида Методы коллокаций и Галеркина то есть Методы коллокаций и Галеркина функции Методы коллокаций и Галеркина можно вычислять по правилу


Методы коллокаций и Галеркина

или


Методы коллокаций и Галеркина


Отметим, что при нелинейном краевом условии вида, например, Методы коллокаций и Галеркиналинейная комбинация (2.64) с произвольными коэффициентами ak уже не будет удовлетворять этому краевому условию. Поэтому метод Галеркина применим только к задачам с линейными краевыми условиями, хотя допустим и нелинейный оператор L.

Пример 1. Методом Галеркина найти приближенное решение уравнения


Методы коллокаций и Галеркина


с условиями


Методы коллокаций и Галеркина


В качестве системы базисных функций Методы коллокаций и Галеркина выберем


Методы коллокаций и Галеркина


Ограничимся четырьмя функциями Методы коллокаций и Галеркина, то есть k=0, 1, 2, 3. Решение будем искать в виде


Методы коллокаций и Галеркина

Найдем функциюМетоды коллокаций и Галеркина.

Так как


Методы коллокаций и Галеркина, а Методы коллокаций и Галеркина

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.
Подробнее

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту
Нужна помощь в написании работы?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.

Похожие рефераты: