偏微分方程数值解-双曲线方程的有限差分法

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1、双曲型方程的有限差分法线性双曲型方程定解问题：（a）一阶线性双曲型方程（b）一阶常系数线性双曲型方程组其中，阶常数方程方阵，为未知向量函数。（c）二阶线性双曲型方程（波动方程）为非负函数（d）二维，三维空间变量的波动方程§1波动方程的差分逼近1.1波动方程及其特征线性双曲型偏微方程的最简单模型是一维波动方程：（1.1）其中是常数。（1.1）可表示为：，进一步有由于当时为的全导数（）,故由此定出两个方向（1.3）解常微分方程（1.3）得到两族直线（1．4）和称其为特征。特征在研究波动方程的各种定解问题时，起着非常重要的作用。比如，我们可通过特征给出（1.1）的通解。（行波

2、法、特征线法）将（1.4）视为与之间的变量替换。由复合函数的微分法则同理可得，将和代入（1.1）可得：即有求其对的积分得：其中是的任意可微函数。再求其对的积分得：（1.5）其中和均为任意的二次连续可微函数。（1.5）为（1.1）的通解，即包含两个任意函数的解。为了确定函数和的具体形式，给定在轴的初值（1.5）将（1.5）式代入上式，则有（ⅰ）注意；，有（ⅱ）并对积分一次，得与（ⅰ）式联立求解，得将其回代到通解中，即得（1.1）在（1.5）条件下的解：（1.6）即为法国数学家JeanLeRondd’Alembert(1717-1783)提出的著名的D’Alembert公式

3、。由D’Alembert公式还可以导出解的稳定性，即当初始条件（1.5）仅有微小的误差时，其解也只有微小的改变。如有两组初始条件：满足，，则+即显然，当有限时，解是稳定的。此外，由D’Alembert公式可以看出，解在点，的值仅依赖于轴上区间内的初始值，，与其他点上的初始条件无关。故称区间为点的依存域。它是过点的两条斜率分别为的直线在轴上截得的区间。对于初始轴上的区间，过点作斜率为的直线；过点作斜率为的直线。它们和区间一起构成一个三角区域。此三角区域中任意点的依存区间都落在内部。所以解在此三角形区域中的数值完全由区间上的初始条件确定，而与区间外的初始条件无关。这个三角形

4、区域称为区间的决定域。在上给定初始条件，就可以在其决定域中确定初值问题的解。1.2显格式现在构造（1.1）的差分逼近。取空间步长和时间步长，用两族平行直线，，，作矩形网络。于网点处Taylor展开成代入（1.1）,并略去截断误差，则得差分格式：（1.7），这里表示于网点处的近似值。初值条件（1.5）用下列差分方程近似：（1.8）（1.9）注意：（1.7）的截断误差阶是，而（1.9）的截断误差阶仅是。为此需要提高（1.9）的精度，可用中心差商代替，即（1.10）为了处理，在（1.7）中令，得进一步，其中。并用（1.10）式的代入上式得即（1.11）这样，利用（1.8）(1

5、.11)，可以由初始层的已知值，算出第一层各网格节点上的值。然后利用（1.7）或显式三层格式（1.12）可以逐层求出任意网点值。以上显式三层格式也可用于求解混合问题：（1.13）取，。除（1.7）～（1.9）外。再补充边值条件（1.14），1．3稳定性分析下面我们要讨论（1.7）的稳定性。为引用Fourier方法，我们把波动方程（1.1）化成一阶偏微分方程组，相应地把显式三层格式（1.7）化成二层格式。一种简单的做法是引进变量，于是（1.1）化为，这样会使得初值与不适定（不唯一），更合理的方法是再引进一个变量，将(1.1)化为（1.15），，注意到：；若令，，则(1.5

6、)可写成(1.16)相应地，将（1.7）写成等价的双层格式：(1.17)即其中，。可直接验证之。记为网比。用Fourier方法可以证明，差分方程(1.17)稳定的必要条件是网比（1.19）。充分条件是网比（1.19）。Courant等证明，时，差分解仍稳定，收敛。但是要求有更光滑的初值。习惯上也称为Courant条件或C-F-L（Courant-Fridrichs-Lewy）条件。稳定性条件（1.19）有直观的几何解释。从方程（1.12）可看出，依赖于前两层的值：，，，，而这四个值由依赖于，依赖于：，，，依赖于：，，，依赖于：，，，依赖于：，，以此类推，可知，最终依赖于

7、初始层上的下列值：，，…，，…，，因此，称轴上含于区间的网点为差分解的依存域，它是轴上被过和以及和的两条直线所切割下来的区间所覆盖的网域。而过的两条特征线为：。差分格式稳定的必要条件为：或，并且进而。可见差分格式稳定的必要条件是：差分解的依存域必须包含微分方程解的依存域，否则差分格式不稳定。用依存域的概念容易证明：当时，差分解不收敛。1.4隐式为了得到绝对稳定的差分格式，用第层、层、层的中心差商的加权平均去逼近得到下列差分格式：或其中是参数。可以证明，对于时，差分格式绝对稳定；时，差分格式的充要条件是：。当就是显格式（1.7），一个常用的