偏微分方程数值解电子教案ppt课件.ppt

1 偏微分方程数值解电子教案 偏微分方程数值解电子教案 2 同学们 上午好 同学们上午好 3 NumericalParitialDifferentialEquations 偏微分方程数值解 学习和了解科学计算的桥梁 偏微分方程数值解 4 偏微分方程数值解能够做什么 序言 序言 5 计算机解决实际问题的步骤建立数学模型选择数值方法编写程序上机计算 计算机解决实际问题的步骤 6 偏微分方程数值解研究的对象 研究偏微分方程的数值实现 分析和有关理论基础与软件实现 偏微分方程数值解主要是有限差分法和有限元法 7 偏微分方程数值解的内容 连续系统的离散化离散性方程的数值求解 随着计算机软件硬件的不断更新和计算方法的迅速发展 科学计算与实验以及理论研究成为现代科学研究的三大主要手段 科学计算还能解决实验及理论无法解决的问题 并由此发现一些新的物理现象 加深人们对物理机理的理解和认识 促进科学的发展 第一章引论 本章主要引入微分方程的概念及数值求解微分方程的意义及其数值求解方法概述 1微分方程 数学来源人类的社会生产活动 现代数学的产生和发展与力学 物理学 天文学等应用学科的发展相辅相成的 它们为数学提出问题 而数学在解决这些问题的过程中所获得的更广泛 更深刻的结果反过来推动这些学科的发展 现实世界中绝大多数事物的内外联系是及其复杂的 其状态随着时间 地点 条件的不同而不同 我们只能通过对问题进行简化和作某些假定 从中找出其状态和状态的变化规律之间的关系 也即一个或一些函数与它们的导数之间的关系 这种关系的数学表达就是微分方程 10 一 偏微分方程简介 1 偏微分方程 偏微分方程是指从物理问题中导出的反映客观物理量在各个地点 时刻之间相互制约关系的一些偏微分方程 偏微分方程分为线性和非线性 这一篇主要讨论二阶线性方程 2 发展史 1 十八世纪初 Taylor 2 十九世纪中期 三类偏微分方程 3 十九世纪末到二十世纪初 其它方程 高阶方程 KDV方程 薛定厄方程 偏微分方程简介 注意 13 四 建立方程的步骤 当确定了研究的是那一类物理量时 建立方程的步骤为 1 划分出一小块 考虑其与邻近部分的关系 2 根据物理学规律 表示出此关系 如 牛顿运动定律 能量守恒定律 麦克斯韦方程等 3 化简 整理 即得偏微分方程 这里主要讨论三类方程 弦振动方程 热传导方程 泊松方程 此三类方程并不包括所有物理问题 如 量子力学中的薛定谔方程 KDV方程等 14 7 1一维波动方程的建立 物理分析 弦振动属于机械振动 基本规律是牛顿的质点力学f ma 弦不是质点 但可以把整个弦细分为许多小段 每一小段可以看作质点 研究对象取为其中任一小段B x处的dx一小段 柔软弦的微小横振动 柔软弦 不是固体杆 杆对弯曲有抵抗 张力沿弦的切向 平行于截面的应力为零 仅横向振动 无纵向振动 均匀细弦 与外力 张力相比 重量不计 线密度 设垂直于X轴向上外力的线密度是F dx受外力为Fdx 1 弦的横振动方程 一拉紧的细弦 其横向运动情况 X轴 弦的平衡位置u x t 弦上x点在t时刻的位移如图所示 u x F l 0 B 一维波动方程的建立 这个方程不仅仅可以描述上述物理过程 也可以用来描述管道气体小扰动的传播 电报方程 均匀杆的纵振动 均匀薄膜的微小横振动 二维 电磁方程 三维 等 2 定解问题满足方程的函数u x t 称为方程的解 对于微分方程 仅仅有方程还不够 无论从数学上 还是物理上都可以来理解 需要有变量的初始条件 如牛顿力学方程 是位移的时间二次导数方程 若要求解以后的位移情况 需要知道某个时刻 初始时刻 的位移 速度 位移一阶导数 对于具体的上述弦振动方程 称为泛定方程 x t有其确定的物理意义 为空间 时间 定解问题 泛定方程 定解条件定解问题 边值问题 初值问题 Cauchy问题或无边界问题 混合问题 2数值求解微分方程的意义 如果能找到一个 或一族 具有所要求阶连续导数的解析函数 将它代入微分方程 组 中 恰好使得方程 组 的所有条件都得到满足 我们就将它称为这个方程 组 的解析解 也称古典解 微分方程的真解 或 微分方程的解 就是指解析解 寻找解析解的过程称为求解微分方程 微分方程的解在数学意义上的存在性可以在非常一般的条件下得到证明 这已有许多重要的结论 但从实际上讲 人们需要并不是解在数学中的存在性 而是关心某个定义范围内 对应某些特定的自变量的解的取值或是近似值 这样一组数值称为这个微分方程在该范围内的数值解 寻找数值解的过程称为数值求解微分方程 2为什么要研究数值求解方法呢 1 在实际问题中我们所能获取的或感兴趣的 往往只是一个特定点上的数据 如空间的温度分布只能一个点一个点地测定 火箭升空传回的控制信息只能以某个确定的时间为间隔 一个个地发送和接受 如此等等 这些离散点上的函数值对于解决实际问题 已经足够了 寻找解析解的一般形式未必必要 2 在很多情况下 寻找解析解也并无可能 现实问题中归结的微分方程不满足解析解的存在条件的比比皆是 方程中出现的有些函数连续性都无法保证 它们并不存在前述意义的解析解 于是 求数值解便成了在这种情况下解决问题的重要手段了 3 即使微分方程的解析解存在 以并不意味可以将它表示为初等函数 如多项式 对数函数 指数函数三角函数及它们的不定积分的有限组合形式 显式解 事实上 有显式解的微分方程只占解析解存在的微分方程中的非常小的一部分 3数值求解方法概述 1 区域剖分把整个定义域分成若干个小块 以便对每小块上的点或片求出近似值 这样按一定规律对定义域分切的过程称为区域剖分 2 微分方程的离散区域剖分完毕后 依据原来的微分方程去形成关于这些离散点或片的函数值的递推公式或方程 这是它们的未知量已不是一个连续函数 而成了若干个离散的未知值的某种组合了 这个步骤称为微分方程离散 3 初始和边界条件处理离散后系统是一个递推公式 那它需要若干个初值才能启动 若是一个方程组 那它所含的方程个数一般少于未知量的个数 要想求解还需要补充若干个方程 这些需要补充的初值和方程往往可以通过微分方程的初始条件和边界条件来得到 这就是初始和边界条件处理过程 初始和边界条件处理 4 离散系统的性态研究我们主要研究 这个系统是否可解 即解的存在性 唯一性问题 它与精确解的差距有多大 这个差距当区域剖分的尺寸趋于零时 是否也会趋于零 趋于零的速度多快 即解的收敛性和收敛速度问题 当外界对数据有所干扰时 所得的解是否会严重背离离散系统的固有的解 即解的稳定性问题 离散系统的性态研究 上述问题说道底是一个误差分析问题 因为如果从实际问题到得出数值解的每一步都没有任何的话 当然 这是不可能的 那么数值解就应该是离散点上的精确值 也就不用煞费苦心去讨论上面的问题了 27 1 模型误差2 观测误差3 截断误差4 舍入误差 误差的来源 误差的来源 1 模型误差在将实际问题归结为数学模型时需要对问题作一定的简化和假设 由此产生的误差叫模型误差 2 观测误差数学模型中需要用到的一些系数 初值等常数来自于测量仪器或统计资料 由于客观条件和仪器精度的限制不可避免有误差 这被称为观测误差 3 截断误差将数学模型离散化时由于舍弃一些次要的项而导致的模型问题真解与离散问题真解的误差称为截断误差 4 舍入误差在上机实际计算中 由于计算机对所运算的对象按计算机字长四舍五入而产生的最终计算解与离散问题真解的误差是舍入误差 本书主要研究截断误差 一般来说 一个可用方法的截断误差不应该超过模型误差和观测误差 最后 我们可以将离散系统送到计算机上去实际计算了 31 数值求解微分方程过程示意 微分方程 区域剖分 离散系统的性态研究 递推计算或解线性代数方程组 微分方程离散 初始和边界条件处理 解的存在性 唯一性 解的收敛性和收敛速度 解的稳定性 得到数值解 求解过程中产生的误差 现实问题 数学模型 离散格式 模型误差 建模 离散 舍入误差 观测模型 截断误差 数值解 计算 33 参考书 1 微分方程数值解 李荣华等编 高等教育出版社 19962 偏微分方程差分方法 陆金甫等编 高等教育出版社 19883 微分方程数值解 李立康等编 复旦大学出版社 1999年4 微分方程数值解 余德浩等编 科学出版社 2003年5 NumericalPartialDifferentialEquations J W Thomas Springer Verlag 1997年6 偏微分方程的MATLAB解法 陆军安尚涛等编 武汉大学出版社 2001年 参考书 3