理论教育 有限差分法的相容性:偏微分方程数值解法

有限差分法的相容性:偏微分方程数值解法

时间:2023-10-26 理论教育 版权反馈
【摘要】:在式中,时间项和二阶空间导数项均用中心差分近似,有在式中,以Tni+1+Tni-1替换2Tni,则有差分方程式是另外一种差分格式,这里引入这种格式的目的仅在于考查其与原偏微分方程的相容性。若选用显式差分格式,其截断误差为当τ→0,l→0时,截断误差趋近于0,因此,在这种情况下,差分方程式与微分方程式相容。相容性概念是差分方法中最基本的概念,一般说来,要用差分格式求解偏微分方程问题,相容性条件必须满足。

有限差分法的相容性:偏微分方程数值解法

当偏微分方程采用某种差分格式转化为差分方程后,要求当时间步长τ→0和空间步长l→0时,这个差分方程能与微分方程充分接近,也就是要求当τ→0,l→0时,差分方程的截断误差在任一网格上均应趋于零,称这样的差分方程和与之对应的偏微分方程相容。只有保证相容性,才能使得当τ→0,l→0时,差分方程的解在每个网格结点上都收敛于偏微分方程的解。判断相容性的条件就是当步长τ→0,l→0时,差分方程的截断误差Rni→0。下面仍以一维非稳态热传导问题为例来说明相容性的具体检验方法。在式(1.3.7)中,时间项和二阶空间导数项均用中心差分近似,有

在式(1.5.1)中,以Tni+1+Tni-1替换2Tni,则有

差分方程式(1.5.2)是另外一种差分格式,这里引入这种格式的目的仅在于考查其与原偏微分方程的相容性。分析差分方程式(1.5.2)的截断误差,由Taylor展开式,得

以及

于是截断误差(www.daowen.com)

显然,若978-7-111-44528-9-Chapter01-138.jpg,则当τ→0,l→0时,截断误差不趋近于0,因此,差分方程式(1.5.2)与微分方程式(1.3.7)不相容。

若选用显式差分格式(1.3.7),其截断误差为

τ→0,l→0时,截断误差趋近于0,因此,在这种情况下,差分方程式(1.3.8)与微分方程式(1.3.7)相容。

相容性概念是差分方法中最基本的概念,一般说来,要用差分格式求解偏微分方程问题,相容性条件必须满足。

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