在应用加权余量法时,最重要的一步是选取基函数φj。一般地,首先要求φj能满足问题的边界条件。此外,还要求φj(j=1,2,…,N)应是求解域内的一组完备的函数,以使得当N→∞时,近似解收敛于u∗。在选择基函数φj时,通常还要考虑以下因素:
1)基函数φj计算较容易;
2)待定参数αj(j=1,2,…,N)容易求得;
3)基函数φj具有足够的灵活性;
4)近似解能达到可接受的精度;
5)近似解便于应用。
基函数在求解区域内应是连续的,且足够光滑,即具有足够阶数的连续导数。通常取线性无关的多项式、三角函数、指数函数等作为基函数。例如,对于一维问题(0≤x≤l),若问题的边界条件都是第一类的,即
ux=0=u0,ux=l=u1
考虑到基函数φj(j=1,2,…,N)必须满足对应的齐次边界条件,即
φj(0)=0,φj(l)=0
故可取
φ1(x)=x(l-x),φ2(x)=x2(l-x),…,φN(x)=xN(l-x)
若问题的边界条件是第二类或第三类的,即
u′(0)-h1u(0)=u0,u′(l)-h2u(l)=u1
则基函数φj(j=1,2,…,N)可取为
φ1(x)=x2(l-x)2,φ2(x)=x3(l-x)2,…,φN(x)=xN+1(l-x)2
对于二维问题,若问题的边界条件都是第一类的,即
uΓ=ψ(x,y)
此时,能若找到一函数ω(x,y),且满足条件
则基函数φj就可取作
φ1(x)=ω,φ2=ωx,φ3=ωy,φ4=ωx2,φ5=ωy2,…
这样,问题归结为确定满足该条件式的函数ω(x,y)。对此,当边界Γ曲线的方程为
F(x,y)=0(www.daowen.com)
时,可取
ω(x,y)=±F(x,y)
例如,对于圆心在圆点,半径为r的圆域,边界Γ的方程为
F(x,y)=x2+y2-r2=0
此时,可取
ω(x,y)=x2+y2-r2
若边界Γ是由n条连续曲线分段组成,则这些曲线段的方程分别为
F1(x,y)=0,F2(x,y)=0,…,Fn(x,y)=0
则可令
ω(x,y)=F1(x,y)F1(x,y)…Fn(x,y)
又如,二维泊松方程第一边值问题
若问题的求解域D为
-a<x<a,-b<y<b
因为边界Γ的方程为
x=±a和y=±b
于是可令
ω(x,y)=(a2-x2)(b2-y2)
基函数φj(x,y)为
也可令
若问题的求解域D是由下列两个圆围成的区域
则取
对于第二、第三类边界条件的情形,这里不作一般讨论。
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