差商和差分关系证明,差分和差商是一样东西吗

首页 > 时尚 > 作者:YD1662023-12-03 14:00:54

这是四种格式可能是最常用的,很多人实际使用时可能随便选一种就使用。这四种格式差距非常小,看(1)和(3)式,仅在空间离散时选取的点不同,那么它们的相容性、收敛性和稳定性如何呢?

首先,这四个格式都是相容的,至于收敛性和稳定性,采用von Neumann条件判断易知,格式(1)和(2)是条件收敛的,而格式(3)和(4)是完全不收敛的。如果采用后两种格式计算,是完全得不到正确结果的。其根本原因在于,上述的对流方程是双曲型的,沿其特征线方向是有信息传递的,因此,选取的网格点应该与双曲方程特征线一致才行,这也是上述(1)(2)格式被称为迎风格式的原因,要迎“风”不能背“风”。

下面这个格式被称为Richardson格式,从截差角度上说,这个格式是二阶精度的,似乎比迎风格式好,但是,这个差分格式实际完全没有实用价值,因为是不收敛的:

差商和差分关系证明,差分和差商是一样东西吗(5)

通常来说,差分格式都是条件收敛,很少有绝对收敛的,比如Crank-Nicolson格式是绝对收敛的。当然,条件收敛不一定就差,绝对收敛也不一定就好,关键还是要满足需求条件才行。前面反复说到条件收敛,那么这个条件到底是什么,什么条件下差分格式才收敛?下面的定理回答了这个问题。

差商和差分关系证明,差分和差商是一样东西吗(6)

最后我们来谈谈上述对流方程初值问题的依赖区域,简单的说,为了计算某一层网格点的数值,需要用到上一层的数值,上一层的数值又需要用到上上一层,依次递推到第一层上。第一层上的这些网格点值,都会影响我们所计算的某点的值,这就是差分格式的依赖关系。而微分方程的依赖关系,如上述的对流方程,它是双曲型方程,因此它的依赖区域和特征线息息相关。实际上,上述对流方程是条件收敛的,这个条件最后化简就是:

差商和差分关系证明,差分和差商是一样东西吗(7)

得到的正是我们常在计算中使用的库朗条件。

上述理论是有限差分法的冰山一角,理论虽然简单,但是灵活运用却是格外复杂,越是简单的东西,使用起来越要小心,稍不注意,就会陷入不收敛的尴尬境地!!

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