matlab解微分方程

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1、第十六章偏微分方程的数值解法科学研究和工程技术中的许多问题可建立偏微分方程的数学模型。包含多个自变量的微分方程称为偏微分方程(partialdifferentialequation)，简称PDE。偏微分方程问题，其求解是十分困难的。除少数特殊情况外，绝大多数情况均难以求出精确解。因此，近似解法就显得更为重要。本章仅介绍求解各类典型偏微分方程定解问题的差分方法。16.1几类偏微分方程的定解问题一个偏微分方程的表示通常如下：(16.1.1)式中，是常数，称为拟线性(quasilinear)数。通常，存在3种拟线性方程：双曲型(hyperbol

2、ic)方程：；抛物线型(parabolic)方程：；椭圆型(ellliptic)方程：。16.1.2双曲型方程最简单形式为一阶双曲型方程：(16.1.2)物理中常见的一维振动与波动问题可用二阶波动方程：(16.1.3)描述，它是双曲型方程的典型形式。方程的初值问题为：(16.1.4)边界条件一般有三类，最简单的初边值问题为：(16.1.5)16.1.3抛物型方程其最简单的形式为一维热传导方程：(16.1.8)方程可以有两种不同类型的定解问题：(1)初值问题：(16.1.6)(2)初边值问题：(16.1.7)其中，，为已知函数，且满足连接条

3、件：(16.1.8)边界条件为第一类边界条件。第二类和第三类边界条件为：(16.1.9)其中，。当时，为第二类边界条件，否则称为第三类边界条件。16.1.4椭圆型方程其最典型、最简单的形式是泊松(Poisson)方程(16.1.10)特别地，当时，即为拉普拉斯(Laplace)方程，又称为调和方程：(16.1.11)Poisson方程的第一边值问题为：(16.1.12)其中为以为边界的有界区域，为分段光滑曲线，称为定解区域，，分别为，上的已知连续函数。第二类和第三类边界条件可统一表示为：(16.1.13)其中为边界的外法线方向。当时为第二

4、类边界条件，时为第三类边界条件。16.2差分方法的基本概念差分方法又称为有限差分方法或网格法，是求偏微分方程定解问题的数值解中应用最广泛的方法之一。它的基本思想是：先对求解区域作网格剖分，将自变量的连续变化区域用有限离散点(网格点)集代替；将问题中出现的连续变量的函数用定义在网格点上离散变量的函数代替；通过用网格点上函数的差商代替导数，将含连续变量的偏微分方程定解问题化成只含有限个未知数的代数方程组(称为差分格式)。如果差分格式有解，且当网格无限变小时其解收敛于原微分方程定解问题的解，则差分格式的解就作为原问题的近似解(数值解)。因此，用

5、差分方法求偏微分方程定解问题一般需要解决以下问题：(1)选取网格；(2)对微分方程及定解条件选择差分近似，列出差分格式；(3)求解差分格式；(4)讨论差分格式解对于微分方程解的收敛性及误差估计。下面，用一个简单的例子来说明用差分方法求解偏微分方程问题的一般过程及差分方法的基本概念。设有一阶双曲型方程初值问题。(16.2.1)选取网格：图16.2.1差分示意图首先对定解区域作网格剖分，最简单常用一种网格是用两族分别平行于轴与轴的等距直线：,(16.2.2)将分成许多小矩形区域。这些直线称为网格线，其交点称为网格点，也称为节点，和分别称作方向

6、和方向的步长。这种网格称为矩形网格。(1)对微分方程及定解条件选择差分近似，列出差分格式。如果用向前差商表示一阶偏导数，即：(16.2.3)其中。方程：(16.2.4)在节点处可表示为：(16.2.5)其中：。由于当足够小时，在式中略去，就得到一个与方程相近似的差分方程：(16.2.6)此处，可看作是问题的解在节点处的近似值。同初值条件：(16.2.7)结合，就得到求问题的数值解的差分格式。式：(16.2.8)称为差分方程的截断误差。如果一个差分方程的截断误差为，则称差分方程对是阶精度，对是阶精度的。显然，截断误差的阶数越大，差分方程对微

7、分方程的逼近越好。若网格步长趋于0时，差分方程的截断误差也趋于0，则称差分方程与相应的微分方程是相容的。这是用差分方法求解偏微分方程问题的必要条件。如果当网格步长趋于0时，差分格式的解收敛到相应微分方程定解问题的解，则称这种差分格式是收敛的。16.3双曲型方程的差分解法16.3.1一阶双曲型方程的差分格式考虑一阶双曲型方程的初值问题：(16.3.1)将平面剖分成矩形网格，取方向步长为方向步长为，网格线为：,为简便，记：,以不同的差商近似偏导数，可以得到方程的不同的差分近似(16.3.2)(16.3.3)(16.3.4)截断误差分别为，与。

8、结合离散化的初始条件，可以得到几种简单的差分格式：(16.3.5)(16.3.6)(16.3.7)其中：。如果已知第层节点上的值，按上面三种格式就可求出第层上的值。因此，这三种格式都是显式格式