以二维为例,设泛函J(u)所依赖的函数u(x,y)具有如下近似形式
其中,φi为一组满足边界条件的线性独立函数系列,称为坐标函数,或基函数,αi为待定参数。这里的近似解式(2.3.1)称为试探函数,或称为近似函数。如将式(2.3.1)代入泛函表达式,则泛函J(u)就变成参数αi的函数,即
J(u)=J(α1,α2,…,αn)
根据多元函数实现极值的必要条件,泛函J(u)在函数u(x,y)上实现极值应使参数αi满足
解出未知参数αi,并将它们代入式(2.3.1),即得所要求的近似解
u(x,y)=u(x,y,α1,α2,…,αn)
以下对里兹法作简要的介绍。已知微分方程
y″+y+1=0 (2.3.3)
满足边界条件
的精确解为
由式(2.3.5)得
现用变分方法求取近似解,为此作泛函
利用欧拉方程不难证明,式(2.3.6)在满足边界条件式(2.3.4)并取极值时的极值曲线y(x)就是微分方程式(2.3.3)和边界条件式(2.3.3)的解。由于函数y(x)未知,引入试探函数。通常,试探函数取具有良好微分性能的初等函数多项式,以便于进行微分和积分运算,且试探函数需满足边界条件。这里,取满足边界条件式(2.3.4)的试探函数,如
y=α1(x-x2)+α2(x-x3)+α3(x-x4)+… (2.3.7)
y=α1sinπx+α2sin2πx+α3sin3πx+… (2.3.8)
显然,试探函数的项数取得越多,达到的精度就越高。若取n项,则有α1,α2,…,αn,计n个未知量。将多项式代入泛函式(2.3.6)后,泛函J[y(x)]实际上成为J(α1,α2,…,αn)的多元函数,于是变分问题转化为多元函数求极值的问题,即
式(2.3.9)为n个代数方程,可解出α1,α2,…,αn这n个未知量。(www.daowen.com)
作为简单介绍,只取多项式(2.3.7)的第一项,即取
y=α1(x-x2) (2.3.10)
代入式(2.3.6),得
由多元函数取极值的条件,得
所以
于是,得
代入式(2.3.10),得
这就是极值曲线的近似解。由式(2.3.11),得
若采用式(2.3.8)的试探函数作变分计算,取前三项,则
y=α1sinπx+α2sin2πx+α3sin3πx (2.3.12)
考虑到函数列{sinnπx}和{cosnπx}的正交性,以及
将这些关系及式(2.3.12)代入到式(2.3.6),有
由(i=1,2,3),得
于是,得
当时,y=0.1384(精确解为y=0.1395)
比较这两次计算可以看出,选择试探函数非常重要,后者由于试探函数选择不当,作三项计算的精度还不如前者作一项计算的精度来得高。可见,里兹法只是在试探函数族中找一个最优解,求解的精度取决于所选的试探函数。当所选的试探函数满足解的某些已知性质时,就可能改善近似解的精度。若所选的试探函数恰好包含了精确解,则里兹法就可得到精确解。当试探函数是一个无穷序列函数的一部分时,试探函数中包含的函数项数越多,它越接近精确解,并且原则上可以得到任何精度的近似解。
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