偏微分方程数值解.ppt

第十章 偏微分方程数值解,一、典型的偏微分方程介绍,1.椭圆型方程,Laplace 方程,Poisson方程,2.抛物型方程,热传导方程,其中a是常数。它表示长度为L的细杆内，物体温度分布的规律,土壤水运动方程：,溶质运移方程：,（水流稳态）,（瞬态）,3双曲型方程,波动方程,它表示长度为L的弦振动的规律。,二、定解问题,决定方程唯一解所必须给定的初始条件和边界条件,叫做定解条件,边界条件,初始条件,计算机只能作有限次的加、减、乘、除运算，它既不能求导数，更不能解偏微分方程。如果想在计算机上求得微分方程数值解，它的主要做法是把偏微分方程中所有的偏导数分别用差商代替，从而得到一个代数方程组差分方程组，然后对差分方程求解，并以所求的解作为偏微分方程数值解。,10.1 差分法简介,对区域进行剖分，用网格点来代替连续区域，,因此差分法亦称“网格法”。,把整体分割成若干个单元来处理问题的方法在,数学上称为“离散化方法”,在结点上采用离散化方法（数值微分、数值积分、,泰勒展开等）将微分方程的初边值问题化成关于,离散变量的相应问题，这个相应问题的解就是方程,在点xi上的数值解f(x)，或在点（xi,ti）上的数值解,U(xi,ti)。一般来说，不同的离散化导致不同的方法。,例：取一边长为1的正方形均匀薄板，上下侧面绝热，四周保持恒温，求板内各点的稳定温定分布。,Laplace 方程第一边值问题,记,u在这些点满足方程,得到u(i,k)的近似ui,k，所满足的线性代数方程组：,其中,用迭代法来解方程组,简单迭代法,高斯赛德尔迭代法,用差分法解偏微分方程需要考虑三个问题：,1选用网格，将微分方程离散化为差分方程。,2当网格步长h 0时差分方程的准确解是否 收敛于微分方程的解？,3如何解相应的代数方程组？,10.2 椭圆型方程的差分解法,椭圆型方程最简单的典型问题就是拉普拉斯方程,泊松方程,考虑泊松方程第一边值问题：,(一)矩形网格,设为xy平面上一有界区域，为其边界，是分段光滑曲线。,正则内点,非正则内点,边界点,（二）五点差分格式,现在假设（i，k）为正则内点。沿着x，y轴方向分别用二阶中心差商代替uxx，uyy，则得,若以uh，fh表示网函数，记,则差分方程可简写成：,利用Taylor展式,这四个式子两两相加便有：,于是可得差分方程的截断误差,（三）边值条件的处理,：非正则内点集合,h：边界点集合,（1）直接转移法,对（xi,yk），用边界上距离这点最近的点的值作为（xi,yk）的值，即,（2）线性插值法,6,4,1,3,5,2,h1,则u在这些点上的值有近似关系：,（3）列不等距差分方程,f1为f在1点的值。,