抛物型方程求解 - 360文档中心

抛物型方程的galerkin有限元方法

抛物型方程的Galerkin有限元方法一、引言抛物型方程是一类常见的偏微分方程，具有广泛的应用。

在数值解中，Galerkin有限元方法是一种常用且有效的方法。

本文将介绍抛物型方程的基本概念，并详细讲解Galerkin有限元方法在求解抛物型方程中的应用。

二、抛物型方程的基本概念抛物型方程是指具有二阶时间导数和二阶空间导数的偏微分方程。

一般形式为：∂u−Δu=f∂t其中，u为未知函数，t为时间变量，Δ为Laplace算子，f为给定的函数。

抛物型方程的一个重要特点是初始条件和边界条件对解的影响非常大。

合适的初始条件和边界条件能够唯一确定方程的解。

三、Galerkin有限元方法Galerkin有限元方法是一种利用函数空间进行近似的数值计算方法。

它基于以下思想：将问题的解表示为函数空间中的一个函数，通过求解一组代数方程组来近似求解原始方程。

1. 函数空间的选择在应用Galerkin有限元方法求解抛物型方程时，需要选择合适的函数空间。

常用的函数空间有有限维函数空间和无限维函数空间。

具体的选择需要根据问题的特点和计算的要求来确定。

2. 弱形式的推导对于抛物型方程，我们可以将其转化为弱形式。

弱形式是通过将方程两边乘以一个测试函数，并进行积分得到的。

这样可以减小对解的要求，并使得问题更容易求解。

3. 数值离散和代数方程的建立接下来，需要对时间和空间进行离散。

通常使用网格来进行离散，将时间和空间分割为有限个小区域。

然后，通过选择适当的基函数，在每个小区域上近似原方程的解。

最终得到一组代数方程组。

求解代数方程组是Galerkin有限元方法的最后一步。

可以使用常用的数值方法，如迭代法、直接法等，来求解代数方程组。

根据计算要求和问题特点，选择合适的求解方法。

四、应用案例以一维热传导方程为例，展示Galerkin有限元方法在求解抛物型方程中的应用。

热传导方程是一个典型的抛物型方程，描述了物体内部的温度分布随时间变化的规律。

一维抛物型偏微分方程初边值问题求解

一维抛物型偏微分方程初边值问题求解摘要：一、引言二、一维抛物型偏微分方程1.定义与性质2.初边值问题三、求解方法1.紧差分格式2.追赶法3.有限元算法四、Matlab程序实现1.紧差分格式程序2.追赶法程序五、结论与展望正文：一、引言在数学、物理等领域，偏微分方程是一类重要的方程。

其中，一维抛物型偏微分方程在科学研究和实际应用中具有广泛的意义。

本文将探讨一维抛物型偏微分方程的初边值问题的求解方法，并介绍相应的Matlab程序实现。

二、一维抛物型偏微分方程1.定义与性质一维抛物型偏微分方程是指具有如下形式的方程：u_t = a * u_xx其中，u(x, t) 表示未知函数，t 表示时间，x 表示空间坐标，a 为常数。

2.初边值问题初边值问题是指在给定的初始条件和边界条件下求解偏微分方程的问题。

在一维抛物型偏微分方程中，初边值问题可以表示为：u(x, 0) = u_0(x)u(x, t) = u_t(x, t) 在边界x=0，x=L上三、求解方法1.紧差分格式紧差分格式是一种求解偏微分方程的方法，其精度为O(h^(1/2) * Δt)，无条件稳定。

在这种方法中，我们首先需要建立离散的网格系统，然后通过数值积分求解离散化的偏微分方程。

2.追赶法追赶法是一种求解线性方程组的方法，也可以用于求解初边值问题。

在这种方法中，我们首先需要将偏微分方程转化为线性方程组，然后使用追赶法求解线性方程组。

3.有限元算法有限元算法是一种基于变分原理的求解方法，可以将偏微分方程问题转化为求解有限元空间的线性方程组。

这种方法在求解一维抛物型偏微分方程时具有较高的精度和可靠性。

抛物型方程的计算方法

分类号：O241.82本科生毕业论文（设计）题目：一类抛物型方程的计算方法作者单位数学与信息科学学院作者姓名专业班级2011级数学与应用数学创新2班指导教师论文完成时间二〇一五年四月一类抛物型方程的数值计算方法(数学与信息科学学院数学与应用数学专业2011级创新2班)指导教师摘要: 抛物型方程数值求解常用方法有差分方法、有限元方法等。

差分方法是一种对方程直接进行离散化后得到的差分计算格式，有限元方法是基于抛物型方程的变分形式给出的数值计算格式.本文首先给出抛物型方程的差分计算方法，并分析了相应差分格式的收敛性、稳定性等基本理论问题.然后，给出抛物型方程的有限元计算方法及理论分析.关键词：差分方法，有限元方法，收敛性，稳定性Numerical computation methods for a parabolic equationYan qian(Class 2, Grade 2011, College of Mathematics and Information Science)Advisor: Nie huaAbstract: The common methods to solve parabolic equations include differential method, finite element method etc. The main idea of differential method is to construct differential schemes by discretizing differential equations directly. Finite element scheme is based on the variational method of parabolic equations. In this article, we give some differential schemes for a parabolic equation and analyze their convergence and stability. Moreover, the finite element method and the corresponding theoretical analysis for parabolic equation are established.Key words: differential method, finite element method, convergence, stability1 绪论1.1 引言自然界里中热的传播，溶质在液体中弥散，多孔介质中渗流等随时间发展的现象和过程，都可以用抛物型方程来描述.因此，抛物型方程是刻画自然界的一类很重要的方程.然而，很多的方程我们并不能求出它的精解确，或者表达式过于复杂，所以需要采用数值方法去计算它们的近似解.抛物型方程最基本的计算方法当属有限差分法[1]，通过离散化便可得到计算格式，该方法构造简单，易于操作.但是在处理一些复杂的边值问题时计算会很复杂，因此我们需要探讨一些新的处理手段.有限元计算方法起源于椭圆型方程的计算，它将求解椭圆型方程的解转换为求解其变分形式的解[1],从而极大地丰富了偏微分方程的计算手段.正式由于其在椭圆型方程计算中的巨大优势，以及抛物型方程与椭圆型方程的密切联系，所以该方法很自然的被推广到了抛物型方程初边值问题的计算上[4].本文系统的总结了一类抛物型方程的计算方法，包括有限差分法和有限元方法.并且通过数值算例给出了两类方法的一个比较.为此,本文需要先给出一些基本的分析知识作为研究该问题的基础[6,7]，下来就给出了抛物型方程的变分形式，这个是构造有限元计算格式的基础，在此基础上，给出了有限元计算格式并讨论了其收敛性和稳定性. 1.2 准备知识抛物型偏微分方程是一类典型的发展方程，其一般形式如下：)()(x f u L tu=-∂∂ （1.1.1）其中),(t x u 是空间自变量).....(1n x x x =和时间t 的未知函数，L 是关于空间变量的线性椭圆型微分算子，即f u c x b x x a L n i i i j i n j i ij=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+∂∂+∂∂±≡∑∂∑=21, 其系数的实函数为自变量和右端项)...(,,1n ij ij x x x f c b a =，且在方程（1.1.1）的定义域n R ∈Ω中满足椭圆性条件Ω∈∀∈=∀>≥∑∑==x x ix x aR nn ni j i nj i ij,}0{).....(,0)()()(1121,ξξξααξξξ（1.1.2）当L 是非线性椭圆型微分算子或者f 是u 的非线性函数时，则称相应的抛物型方程为非线性的.下面给出抛物型方程的定解条件：初值条件，不妨设初始时刻0=t ,则Ω∈∀=x x u x u ),()0,(0 （1.1.3）第一类边值条件：0,),,(),(>∀Ω∂∈∀=t x t x u t x u D （1.1.4）第二类边值条件：0,),,(),(>∀Ω∂∈∀=∂∂t x t x g t x vu（1.1.5）第三类边值条件：0,),,(),)((>∀Ω∂∈∀=+∂∂t x t x g t x u tuα （1.1.6）其中00),(,,>≥ααα上，且至少在一部分边界的已知函数，是t x u g u D ，v 为的单位外法向量Ω∂.2，有限差分法本章将给出抛物型方程最基本的计算方法—有限差分法。

一类变系数抛物型方程的数值解法

式，用方程算出第一层的数值解，利之后每一层的
计算都用到前两层的数值解。每一层的计算都是解线性方程组。计算过程避免了迭代运算。通过该格式可以计算出的数值解。利用７的数值解２和下面差分格式可以计算出 “和 “的数值解。
ｎ上的网格函数。引入以下记号：
式
。其收敛阶为Ｏ（。）ｈ＋ｒ。
跏一
Ｄ，一叫
二二
１≤ ｉＭ一１１≤ ｋ≤ Ｎ一１ ≤ ，
气一
一
＋宰＋
０≤ ｋ≤ Ｎ
厂（ｚ）
ａ女
一
一
第４期
１≤ ｉ≤ Ｍ — ｌ
ｆ（ｉｘ）
１三层线性化格式
一
在问题（）令，Ｕ，定 “ ，）０１中一假（￡≠ ，
罕Ｎ
并（一，一，到题１记ａ）警ｐ）警得问（的（）
我们用Ｍａｌｂ进行编程计算，ｐｔａ在ｃ机上计算出的数值结果见表１～表４。
表１Ｍ＝５Ｎ－５０。－０时Ｈ，）绝对误差（１的
）＝＝＋＝
１＋
表２Ｍ＝５。０Ｎ＝５０时ａｆ的绝对误差（）
ｎ — ｎ＾× ＊
存在Ｏｉ≤Ｍ，得 ≤ 。使
∈ ＬＸ。ｌｉ＋
ｍａｎｔ）口 ≤ ｃｈ＋ｒ）ｘｌ（女一ｌ（
萋
用类似的方法可以给出如下向后欧拉格

求解抛物型方程的一种有限差分并行格式

ｅｉｌｘｅｍｅｔｔｎａｒｅｉｅｔｅｒｎｌｉｅｃｅ（－。．Ｔｅｎｍｒａｅｐｒｎａｏｇｅｓｗｔｔｏｙａａｓ．ｃｉｉｈｈｈｙｓ
Ｋｅｒｓ：ｐｒｌｌｃｍｐｔｔｎｉｅｅｔｌｅｕｔｎ；ＪＳｉｒｔｅｍｅｈｄ；ｓｂｌｙ；ｔｎａｉｎｅｒｒｙｗｏｄａａｌｏｕａｉ；ｄｆｒｎｉｑａｉｅｏｆａｏＧｔａｉｔｏｓｔｉｔｒｃｔｒｏｅｖａｉｕｏ
点（，的值．ｉ）
对于给定的正整数Ｐ使其能整除Ｎ一１，Ｌ＝（（）令Ｎ一１／．将整个区间分成Ｐ个子区问（Ｐ）ｐ或
收稿日期：００９２．２１－－６Ｏ
作者简介：刘
播（９１１５一），，族，男汉博士，教授，从事偏微分方程并行算法的研究，Ｅ－ａｌｉｂｍ＠ｊ．ｄ．ａｍｉｕｏ：ｌｌｅｕｃ．通讯作者ｕ
李昕卓（９７）１８一，女，汉族，从事偏微分方程并行算法的研究，Ｅｍｉ：ｉ２２＠１３ｃｎ．．ａｌｚ１３６．ｏｌｘ基金项目：国家自然科学基金（批准号：０３１１Ｊ０００）Ｊ７００；１３１１．
２
吉林大学学报（学版）理
有限差分法是求解偏微分方程的一种有效方法，目前已有许多研究结果．文献［－］论了抛２３讨
物型方程的本性并行差分格式；文献［．］别给出了抛物型方程的ＡＥ方法及其稳定性和误差分４５分Ｇ

抛物型方程的差分方法

抛物型方程的差分方法抛物型方程是描述物理现象中的薄膜振动、热传导、扩散等过程的方程，具有非常重要的应用价值。

差分方法是一种常用的数值计算方法，用于求解微分方程，对于抛物型方程的数值求解也是非常有效的方法之一、本文将介绍抛物型方程的差分方法，并具体讨论用差分方法求解抛物型方程的一些具体问题。

首先，我们来介绍一下抛物型方程的一般形式。

抛物型方程一般可以表示为：∂u/∂t=α(∂^2u/∂x^2+∂^2u/∂y^2)其中，u(x,y,t)是待求函数，t是时间，x和y是空间变量，α是常数。

这个方程描述的是物理过程中的扩散现象，如热传导过程、溶质的扩散过程等。

差分方法的基本思想是将求解区域离散化为一个个网格点，然后在每个网格点处用近似的方式来计算待求函数的值。

差分方法的求解步骤主要包括以下几个方面：1.选择适当的网格和步长。

在求解抛物型方程时，需要确定空间变量x和y所在的网格点以及步长，同时也需要确定时间变量t所在的网格点和步长。

通常，我们会选择均匀网格，步长选择合适的值。

2.建立差分格式。

差分格式是差分方法的核心部分，它包括对方程进行近似处理和离散化。

对于抛物型方程，常用的差分格式有显式差分格式和隐式差分格式等。

其中，显式差分格式的计算速度快，但是有一定的稳定性限制，而隐式差分格式的稳定性较好，但是计算量较大。

因此，在具体问题中需要根据实际情况选择适当的差分格式。

3.编写计算程序。

在建立差分格式后，需要编写计算代码来求解离散方程。

具体编写的过程包括定义初始条件、建立迭代计算过程、以及计算结果的输出等。

4.计算结果的验证与分析。

求解方程后，需要对计算结果进行验证和分析，主要包括对数值解和解析解的比较、对误差的估计和控制等。

在具体求解抛物型方程时，还会遇到一些问题，例如边界条件的处理、稳定性和收敛性的分析等。

下面将对其中一些问题进行详细讨论。

1.边界条件的处理。

边界条件对差分格式的求解结果有着重要的影响，常见的边界条件包括固定端（Dirichlet）边界条件和自由端（Neumann）边界条件等。

10_抛物型方程的有限差分方法

10_抛物型方程的有限差分方法抛物型方程是一类常见的偏微分方程，广泛应用于自然科学和工程学的领域中。

有限差分方法是一种常用的数值求解抛物型方程的方法之一、本文将介绍抛物型方程的有限差分方法（II）。

有限差分方法主要基于离散化的思想，将偏微分方程转化为差分方程，进而求解差分方程的数值解。

对于抛物型方程，其一般形式可以表示为：∂u/∂t=Δu+f(x,t)其中，u(x, t)是未知函数，表示空间位置x和时间t上的解，Δu表示Laplace算子作用于u的结果，f(x, t)是已知函数。

有限差分方法的基本思想是将空间和时间域进行离散化，将连续的空间和时间划分为有限个网格点，然后使用差分近似代替偏导数，得到差分方程。

假设空间域被划分为Nx个网格点，时间域被划分为Nt个网格点，对于每个网格点(i,j)，可以表示为(x_i,t_j)，其中i=0,1,...,Nx，j=0,1,...,Nt。

在有限差分方法中，我们使用中心差分近似来代替偏导数。

对于时间导数，可以使用向前差分或向后差分，这里我们使用向前差分，即：∂u/∂t≈(u_i,j+1-u_i,j)/Δt对于空间导数，可以使用中心差分，即：∂^2u/∂x^2≈(u_i-1,j-2u_i,j+u_i+1,j)/Δx^2将上述差分近似代入抛物型方程中，可以得到差分方程的离散形式：(u_i,j+1-u_i,j)/Δt=(u_i-1,j-2u_i,j+u_i+1,j)/Δx^2+f_i,j其中，f_i,j=f(x_i,t_j)。

重排上式，可以得到递推关系式：u_i,j+1=αu_i-1,j+(1-2α)u_i,j+αu_i+1,j+Δt*f_i,j其中，α=Δt/Δx^2通过设置初始条件和边界条件，可以利用以上递推关系式得到抛物型方程的数值解。

总结来说，抛物型方程的有限差分方法（II）是一种常用的数值求解抛物型方程的方法。

它基于离散化的思想，将偏微分方程转化为差分方程，然后利用中心差分近似代替偏导数，得到差分方程的离散形式。

一维抛物型偏微分方程初边值问题求解

一维抛物型偏微分方程初边值问题求解摘要：一、引言二、一维抛物型偏微分方程初边值问题概述三、求解方法四、数值模拟与分析五、结论正文：一、引言一维抛物型偏微分方程在数学和物理等领域有着广泛的应用，比如热传导方程、波动方程等。

对于这种方程的初边值问题，人们进行了大量的研究，提出了多种求解方法。

本文将对这些方法进行综述和分析。

二、一维抛物型偏微分方程初边值问题概述一维抛物型偏微分方程形式为：$$frac{partial^2 u}{partial t^2} = c^2 frac{partial^2 u}{partial x^2}$$其中，$u(x,t)$ 是未知函数，$c$ 是常数。

初边值问题要求解该方程，并满足以下条件：1.$u(x,0) = f(x)$，即$t=0$ 时的函数值已知。

2.$frac{partial u}{partial t}(x,0) = g(x)$，即$t=0$ 时的导数值已知。

三、求解方法针对一维抛物型偏微分方程的初边值问题，目前主要有以下几种求解方法：1.分离变量法：适用于$c=1$ 的情况。

该方法将方程分解为两个独立的一阶线性微分方程，可以求得解析解。

2.矩方法：适用于$ceq 1$ 的情况。

该方法将方程转化为关于矩的递推关系式，可以求得数值解。

3.有限差分法：将方程离散化，通过差分方程求解。

该方法可以得到数值解，但可能会出现数值稳定性问题。

4.有限元法：将方程转化为有限个单元的积分方程，通过插值函数求解。

该方法可以得到较高质量的数值解，但计算复杂度较高。

四、数值模拟与分析为了比较不同方法的求解效果，我们取一维抛物型偏微分方程的一个具体例子，采用以上方法进行数值模拟。

通过对比分析，我们可以得出以下结论：1.分离变量法适用于$c=1$ 的情况，可以得到解析解，但求解范围有限。

2.矩方法对于$ceq 1$ 的情况有较好的适用性，可以得到数值解，但计算复杂度较高。

3.有限差分法易出现数值稳定性问题，求解精度较低。

matlab抛物型偏微分方程求解

一、简介MATLAB 是一种用于数学计算、可视化和编程的高级技术计算语言和交互式环境。

在科学和工程领域，MATLAB 被广泛用于解决各种数学问题，其中包括求解偏微分方程。

在偏微分方程求解中，常见的一类方程是抛物型偏微分方程，本文将讨论如何使用 MATLAB 求解抛物型偏微分方程。

二、抛物型偏微分方程的定义抛物型偏微分方程是一种常见的偏微分方程类型，其一般形式为：\frac{\partial u}{\partial t} = a\frac{\partial^2 u}{\partial x^2} + f(u, \frac{\partial u}{\partial x}, x, t)其中 u 是待求函数，t 是时间变量，x 是空间变量，a 是参数，f 是一个关于u 和其偏导数的函数。

抛物型偏微分方程在物理学、生物学、经济学和工程学等领域中有着广泛的应用，因此求解抛物型偏微分方程具有重要的意义。

三、使用 MATLAB 求解抛物型偏微分方程对于抛物型偏微分方程的求解，MATLAB 提供了丰富的工具和函数，可以有效地进行数值求解。

以下是使用 MATLAB 求解抛物型偏微分方程的基本步骤：1. 离散化方程在求解偏微分方程时，首先需要对方程进行离散化处理。

通过在空间和时间上进行离散化，将偏微分方程转化为一组代数方程。

在MATLAB 中，可以使用网格生成函数和差分格式函数对方程进行离散化，得到离散化的方程组。

2. 构建矩阵表示离散化后的方程通常可以表示为一个线性代数方程组，其中包括系数矩阵和右端项。

在 MATLAB 中，可以使用矩阵运算函数和线性代数求解函数构建和求解相应的矩阵方程。

通过矩阵表示，可以高效地求解抛物型偏微分方程。

3. 设置边界条件和初始条件求解偏微分方程时，通常需要指定边界条件和初始条件。

在MATLAB 中，可以使用边界条件函数和初始条件函数对边界条件和初始条件进行设置。

这些条件将影响方程的数值求解结果，因此在求解过程中需要特别注意。

抛物型方程差分法资料

1. 区域剖分(区域离散）
用两族平行线
x t
xi tk
i h,
k,
0 i m 1/h
0 k n T /
将原方程的求解区域分割成矩形一致网格。
t
t k 1 tk
t k 1
t2 t1
O x1 x2
h — 空间步长， — 时间步长，
(xi ,tk )
( xi , tk ) — 网格节点
用 uik 表示温度分布函数 u( x, t ) 在点( xi , tk ) 处的网格函数, 相当于
x xi1 xi xi1
u( x, t) 在该点的近似.
2. 原方程弱化为节点处的离散方程
连续方程
u t
a
2u x 2
f (x,
t ),
0 x 1,
0 t T
u( x,0) ( x), 0 x 1
u(0, t) (t), u(1, t) (t), 0 t T
离散方程
)
u( xi1, tk
)
误差为 O(h2 )
( xi ,tk )
将上面的式子代入离散方程，可得
u(
xi
,
tk
1
)
u(
xi
,
tk
)
a
u(
xi 1
,
tk
)
2u( xi , h2
tk
)
u(
xi
1
,
tk
)
f ( xi , tk ) O(
h2 )
0 i m, 0 k n.
u( xi ,0) ( xi ),
uk i 1
)
f

抛物型方程

抛物型方程
抛物型方程是一个有关抛物线的函数，用于描述物体沿着抛物线运行的轨迹。

它的一般形式为y=ax²+bx+c（a≠0）。

其中，a是方程的系数，通过它可以控制抛物线的开口向上或向下；b是系数，控制抛物线的拐点位置；c是系数，控制抛物线的顶点位置。

如果a为正，则抛物线开口向上，如果a为负，则抛物线开口向下。

抛物型方程有许多应用，比如在物理学中，可以用它来描述物体发射或自由落体的轨迹，如子弹发射，行星运行等。

在数学中，可以用来描述由多个维度构成的平面曲线。

它还可以用于宏观经济学研究中的投资组合、外汇交易和风险管理等。

抛物型方程的计算方法

分类号：O241.82本科生毕业论文（设计）题目：一类抛物型方程的计算方法作者单位数学与信息科学学院作者姓名专业班级2011级数学与应用数学创新2班指导教师论文完成时间二〇一五年四月一类抛物型方程的数值计算方法(数学与信息科学学院数学与应用数学专业2011级创新2班)指导教师摘要: 抛物型方程数值求解常用方法有差分方法、有限元方法等。

差分方法是一种对方程直接进行离散化后得到的差分计算格式，有限元方法是基于抛物型方程的变分形式给出的数值计算格式.本文首先给出抛物型方程的差分计算方法，并分析了相应差分格式的收敛性、稳定性等基本理论问题.然后，给出抛物型方程的有限元计算方法及理论分析.关键词：差分方法，有限元方法，收敛性，稳定性Numerical computation methods for a parabolic equationYan qian(Class 2, Grade 2011, College of Mathematics and Information Science)Advisor: Nie huaAbstract: The common methods to solve parabolic equations include differential method, finite element method etc. The main idea of differential method is to construct differential schemes by discretizing differential equations directly. Finite element scheme is based on the variational method of parabolic equations. In this article, we give some differential schemes for a parabolic equation and analyze their convergence and stability. Moreover, the finite element method and the corresponding theoretical analysis for parabolic equation are established.Key words: differential method, finite element method, convergence, stability1 绪论1.1 引言自然界里中热的传播，溶质在液体中弥散，多孔介质中渗流等随时间发展的现象和过程，都可以用抛物型方程来描述.因此，抛物型方程是刻画自然界的一类很重要的方程.然而，很多的方程我们并不能求出它的精解确，或者表达式过于复杂，所以需要采用数值方法去计算它们的近似解.抛物型方程最基本的计算方法当属有限差分法[1]，通过离散化便可得到计算格式，该方法构造简单，易于操作.但是在处理一些复杂的边值问题时计算会很复杂，因此我们需要探讨一些新的处理手段.有限元计算方法起源于椭圆型方程的计算，它将求解椭圆型方程的解转换为求解其变分形式的解[1],从而极大地丰富了偏微分方程的计算手段.正式由于其在椭圆型方程计算中的巨大优势，以及抛物型方程与椭圆型方程的密切联系，所以该方法很自然的被推广到了抛物型方程初边值问题的计算上[4].本文系统的总结了一类抛物型方程的计算方法，包括有限差分法和有限元方法.并且通过数值算例给出了两类方法的一个比较.为此,本文需要先给出一些基本的分析知识作为研究该问题的基础[6,7]，下来就给出了抛物型方程的变分形式，这个是构造有限元计算格式的基础，在此基础上，给出了有限元计算格式并讨论了其收敛性和稳定性. 1.2 准备知识抛物型偏微分方程是一类典型的发展方程，其一般形式如下：)()(x f u L tu=-∂∂ （1.1.1）其中),(t x u 是空间自变量).....(1n x x x =和时间t 的未知函数，L 是关于空间变量的线性椭圆型微分算子，即f u c x b x x a L n i i i j i n j i ij=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+∂∂+∂∂±≡∑∂∑=21, 其系数的实函数为自变量和右端项)...(,,1n ij ij x x x f c b a =，且在方程（1.1.1）的定义域n R ∈Ω中满足椭圆性条件Ω∈∀∈=∀>≥∑∑==x x ix x aR nn ni j i nj i ij,}0{).....(,0)()()(1121,ξξξααξξξ（1.1.2）当L 是非线性椭圆型微分算子或者f 是u 的非线性函数时，则称相应的抛物型方程为非线性的.下面给出抛物型方程的定解条件：初值条件，不妨设初始时刻0=t ,则Ω∈∀=x x u x u ),()0,(0 （1.1.3）第一类边值条件：0,),,(),(>∀Ω∂∈∀=t x t x u t x u D （1.1.4）第二类边值条件：0,),,(),(>∀Ω∂∈∀=∂∂t x t x g t x vu（1.1.5）第三类边值条件：0,),,(),)((>∀Ω∂∈∀=+∂∂t x t x g t x u tuα （1.1.6）其中00),(,,>≥ααα上，且至少在一部分边界的已知函数，是t x u g u D ，v 为的单位外法向量Ω∂.2，有限差分法本章将给出抛物型方程最基本的计算方法—有限差分法。

各类抛物型微分方程的解法

各类抛物型微分方程的解法抛物型微分方程是一类常见的微分方程，在数学和物理学中具有重要意义。

本文将介绍一些常见的抛物型微分方程，并探讨它们的解法。

热传导方程热传导方程描述了热量在物体中的传导过程，它的一般形式为：$$\frac{\partial u}{\partial t} = k \cdot \frac{\partial^2 u}{\partialx^2}$$其中，$u$ 是温度分布函数，$t$ 是时间变量，$x$ 是空间变量，$k$ 是热传导系数。

热传导方程的解法主要基于分离变量法、傅里叶级数法和格林函数法。

扩散方程扩散方程描述了物质在空间中的扩散过程，它的一般形式为：$$\frac{\partial u}{\partial t} = D \cdot \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}$$其中，$u$ 是物质浓度分布函数，$t$ 是时间变量，$x$ 是空间变量，$D$ 是扩散系数。

扩散方程的解法也可以利用分离变量法、傅里叶级数法和格林函数法。

波动方程波动方程描述了波在介质中的传播过程，它的一般形式为：$$\frac{\partial^2 u}{\partial t^2} = c^2 \cdot \frac{\partial^2u}{\partial x^2}$$其中，$u$ 是波函数，$t$ 是时间变量，$x$ 是空间变量，$c$ 是波速。

波动方程的解法可以利用分离变量法、傅里叶级数法和变换法等。

Navier-Stokes方程Navier-Stokes方程是描述流体运动的基本方程之一，它的一般形式为：$$\frac{\partial \mathbf{v}}{\partial t} + (\mathbf{v} \cdot \nabla) \mathbf{v} = -\frac{1}{\rho} \nabla p + \nu \nabla^2 \mathbf{v}$$其中，$\mathbf{v}$ 是流体速度矢量，$t$ 是时间变量，$p$ 是压力函数，$\rho$ 是密度，$\nu$ 是运动粘度。

抛物型方程的galerkin有限元方法

抛物型方程的galerkin有限元方法抛物型方程是一类重要的偏微分方程，它在物理、工程、经济等领域中都有广泛的应用。

而galerkin有限元方法是一种常用的数值解法，可以有效地求解抛物型方程。

本文将介绍抛物型方程的galerkin有限元方法。

一、抛物型方程抛物型方程是一类偏微分方程，其一般形式为：$$\frac{\partial u}{\partial t} - \nabla \cdot (a\nabla u) + cu = f $$其中，$u$是未知函数，$a$和$c$是已知函数，$f$是给定函数。

抛物型方程的特点是时间和空间都是连续的，因此需要使用时间和空间上的离散化方法来求解。

二、galerkin有限元方法galerkin有限元方法是一种常用的数值解法，它将偏微分方程的解表示为一组基函数的线性组合，然后通过求解系数来得到解。

具体来说，galerkin有限元方法将偏微分方程的解表示为：$$u_h(x,t) = \sum_{i=1}^N u_i(t) \phi_i(x)$$其中，$u_i(t)$是待求系数，$\phi_i(x)$是一组基函数，$N$是基函数的个数。

将上式代入偏微分方程中，得到：$$\sum_{i=1}^N \left( \frac{\partial u_i}{\partial t} - \nabla \cdot(a\nabla \phi_i) + c\phi_i \right) \phi_j = \int_\Omega f\phi_j $$对于任意的$j=1,2,\cdots,N$，上式都成立。

因此，可以得到一个关于系数$u_i(t)$的线性方程组，通过求解该方程组即可得到解$u_h(x,t)$。

三、抛物型方程的galerkin有限元方法将抛物型方程代入galerkin有限元方法中，得到：\sum_{i=1}^N \left( \frac{\partial u_i}{\partial t} - \nabla \cdot (a\nabla \phi_i) + c\phi_i \right) \phi_j = \int_\Omega f\phi_j $$对于任意的$j=1,2,\cdots,N$，上式都成立。

抛物型偏微分方程

抛物型偏微分方程抛物型偏微分方程（Parabolic Partial Differential Equation）是数学分析中重要的一个分支，研究对象主要是关于时间和空间变量的二阶偏微分方程。

在物理、工程和经济等领域中，抛物型偏微分方程有着广泛的应用，比如热传导方程、扩散方程和波动方程等。

1. 定义和形式抛物型偏微分方程是指对于函数 u(x, t) 存在连续二阶偏导数，并满足形式如下的方程：∂u/∂t = a∇²u + bu + f(x, t)其中，a 是常数，∇²u 是 u 关于空间变量 x 的拉普拉斯算子，b 是各项异性系数，f(x, t) 是给定的源项函数。

该方程描述了函数 u 关于时间t 的演化过程，与空间变量 x 的变化有关，反映了物理现象在时间和空间上的动态发展。

2. 物理意义和应用抛物型偏微分方程在物理学领域中有着重要的应用。

其中，热传导方程是抛物型偏微分方程的典型例子，描述了物质内部温度分布随时间变化的规律。

热传导方程在热力学、材料科学和地球物理学等领域中具有广泛的应用，例如预测地球内部热流、分析塑料注塑过程中温度分布等。

此外，扩散方程也是抛物型偏微分方程的重要应用之一。

扩散过程描述了物质在空间中传播的方式，常用于研究化学反应、人口扩散和金融市场中的价格传播等问题。

波动方程则描述了波在空间中传播的规律，例如声波、电磁波和水波等。

3. 解法和数值模拟抛物型偏微分方程的解法可以通过变量分离、变换等方法获得解析解。

然而，在实际问题中，解析解往往难以求得，需要借助数值方法进行近似计算。

常用的数值方法包括有限差分法、有限元法和谱方法等。

有限差分法将方程离散化为差分格式，通过迭代求解差分方程组得到数值解。

有限元法则将求解区域划分为有限单元，通过构建矩阵方程来求解问题的数值解。

此外，谱方法基于傅里叶级数展开，通过选择适当的基函数将方程转化为代数方程组求解。

谱方法在高精度计算和边界层问题的处理上有一定优势。

解二阶抛物型方程含参数高精度两层差分格式

解二阶抛物型方程含参数高精度两层差分格式
解二阶抛物型偏微分方程是许多领域中非常重要的问题，例如热传导、扩散、化学反应等。

然而，在实际计算中，由于参数的存在，往往需要使用高精度的差分格式来保证数值计算的准确性。

以下是一种含参数的高精度两层差分格式，可以用于解决二阶抛物型偏微分方程：
1. 先验估计
为了使用高精度两层差分格式，我们首先需要进行先验估计，以确定合适的时间步长和空间步长。

具体来说，我们可以使用稳定性分析来确定时间步长和空间步长的上限值。

2. 差分格式
在确定了时间步长和空间步长之后，我们可以开始使用高精度两层差分格式来求解二阶抛物型偏微分方程。

该差分格式通常包括以下几个步骤：
（1）先用向前差分公式求解第一层，得到一个中间解。

（2）再采用Crank-Nicolson格式对第二层进行差分，同时使用前一步得到的中间解进行修正。

（3）最后，将得到的数值解反推回到未知函数的值域中，得到方程的
数值解。

需要注意的是，在使用这种高精度差分格式进行计算时，我们需要使
用高精度的算法来保证计算的准确性。

3. 参数调节
由于实际问题中经常存在参数不确定性的情况，因此，在进行数值计
算时，我们需要对参数进行调节和优化。

具体来说，我们可以通过多
次求解不同的二阶抛物型偏微分方程，来不断调节参数并逐步优化计
算结果。

以上是一个含参数的高精度两层差分格式，可以用于解决二阶抛物型
偏微分方程的计算问题。

该方法能够保证数值计算的高精度和准确性，同时也能够应对实际问题中的参数不确定性。

解四阶抛物型方程的两层显式差分格式

解四阶抛物型方程的两层显式差分格式四阶抛物型方程是指具有四个导数项的抛物型偏微分方程，可以写成如下形式：u_t = a*u_xx + b*u_xxx + c*u_xxxx + f(x,t)其中，u表示未知函数，t表示时间，x表示空间，a、b、c为系数，f(x,t)为已知的源项函数。

为了数值求解这类方程，我们可以使用显式差分格式。

显式差分格式是指通过将方程中的导数项用差分运算进行离散化，将连续的偏微分方程转化为离散的差分方程。

两层显式差分格式指使用两个时间层次的差分方程进行迭代求解。

下面我们将介绍两种常用的两层显式差分格式：双边五点差分格式和五点中心差分格式。

1.双边五点差分格式（BDF5）双边五点差分格式采用五点差分近似导数，其中时间层次的差分使用五阶向前差分，空间层次的差分使用五阶中心差分，可以得到如下差分方程：(u_i^(n+1)-u_i^n)/Δt=a*(u_{i-2}^n-4u_{i-1}^n+6u_i^n-4u_{i+1}^n+u_{i+2}^n)/(Δx^2)+b*(u_{i-2}^n-2u_{i-1}^n+2u_{i+1}^n-u_{i+2}^n)/(2Δx^2)+c*(u_{i-2}^n-u_{i-1}^n-u_{i+1}^n+u_{i+2}^n)/(Δx^2)+f_i^n其中，i表示空间格点的索引，n表示时间层次的索引，Δt和Δx 分别表示时间和空间的步长，u_i^n表示在第n个时间层次上的第i个空间点的解，f_i^n表示在第n个时间层次上的第i个空间点的源项。

2.五点中心差分格式（CD5）五点中心差分格式采用五点差分近似导数，其中时间层次的差分使用五阶前后向差分，空间层次的差分使用五阶中心差分，可以得到如下差分方程：(u_i^(n+1)-u_i^(n-1))/(2Δt)=a*(u_{i-2}^n-4u_{i-1}^n+6u_i^n-4u_{i+1}^n+u_{i+2}^n)/(Δx^2)+b*(u_{i-2}^n-2u_{i-1}^n+2u_{i+1}^n-u_{i+2}^n)/(2Δx^2)+c*(u_{i-2}^n-u_{i-1}^n-u_{i+1}^n+u_{i+2}^n)/(Δx^2)+f_i^n这两个差分方程可以通过逐步迭代求解，用现有的时间层次上的解来计算下一个时间层次上的解。

数学中的抛物型方程

数学中的抛物型方程抛物型方程（parabolic equation）是数学中一类重要的偏微分方程，它在物理学、工程学和社会科学等领域中具有广泛的应用。

本文将从抛物型方程的定义、特征和解法等方面进行论述，以帮助读者更好地理解和应用抛物型方程。

一、抛物型方程的定义在数学中，抛物型方程是一类二维或三维偏微分方程，其形式可以表示为：∂u/∂t = a∇²u + bu + c其中，∂u/∂t 表示函数 u 对时间 t 的偏导数，∇²u 表示函数 u 对空间坐标的拉普拉斯算子，a、b、c 是常数。

抛物型方程通常描述了某一物理现象随时间变化的规律，比如热传导、扩散等。

通过解抛物型方程，我们可以预测和分析这些物理现象。

二、抛物型方程的特征1. 热传导方程抛物型方程在热传导方程中的应用是最常见的。

热传导方程描述了物体内部温度随时间和空间的变化情况。

在一维情况下，热传导方程具有以下形式：∂u/∂t = α∂²u/∂x²其中，u(x, t) 表示在时刻 t 位置为 x 的温度，α 是热扩散系数。

2. 扩散方程抛物型方程在扩散方程中的应用也是非常重要的。

扩散方程描述了物质在浓度梯度驱动下的扩散过程。

在一维情况下，扩散方程具有以下形式：∂u/∂t = D∂²u/∂x²其中，u(x, t) 表示在时刻 t 位置为 x 的物质浓度，D 是扩散系数。

三、抛物型方程的解法对于抛物型方程，我们通常采用偏微分方程的求解方法，如分离变量法、格林函数法等。

1. 分离变量法分离变量法是一种常用的求解抛物型方程的方法。

它的基本思想是将多元函数分解为几个一元函数的乘积，并利用分离后的一元函数满足各自的方程来求解。

以热传导方程为例，我们可以将其分离变量为时间部分和空间部分：u(x, t) = X(x)T(t)代入原方程，得到两个方程：X''(x)T(t)/X(x) = T'(t)/T(t) = -λ²其中，λ² 是常数。

抛物型方程范文

抛物型方程范文抛物型方程是描述一类物理现象的偏微分方程，主要用于描述质点在受力作用下的运动。

常见的抛物型方程包括热传导方程、亥姆霍兹方程和波动方程等。

在这篇文章中，我将从热传导方程和亥姆霍兹方程两个方面来介绍抛物型方程的基本概念、特点和解法。

热传导方程是描述物质热传导过程的方程，其一般形式为：$$\frac{\partial u}{\partial t} = \alpha \cdot\frac{\partial^2 u}{\partial x^2}$$其中，$u(x,t)$表示物质的温度分布，$x$表示空间变量，$t$表示时间变量，$\alpha$表示热扩散系数。

这个方程可以用来描述物体在温度差驱动下的热传导过程。

其特点是，如果初始时刻温度分布和边界条件已知，则可以求解出任意时刻的温度分布。

亥姆霍兹方程是描述波动现象的方程，其一般形式为：$$\frac{\partial^2 u}{\partial x^2} + k^2 u = f$$其中，$u(x)$表示波函数，$x$表示空间变量，$k$表示波数，$f(x)$表示外力源。

这个方程可以用来描述各种波动现象，如声波、光波等。

其特点是，如果已知边界条件和外力源，则可以求解出任意位置的波函数。

下面我们来具体介绍一些解抛物型方程的方法。

对于热传导方程，最常用的求解方法是分离变量法。

这种方法假设温度分布可以表示为一个时间函数和空间函数的乘积形式，然后将原方程代入得到两个常微分方程，再求解这两个方程得到温度分布。

但是这种方法只适用于一些简单的边界条件和外力源。

对于亥姆霍兹方程，常用的求解方法是格林函数法。

这种方法是先求解格林函数的方程，再利用格林函数和外力源的卷积来得到波函数。

格林函数可以看作是在单位脉冲作用下产生的响应波函数，因此利用外力源的线性叠加性质，可以得到任意外力源下的波函数。

此外，还有一些其他的数值方法可以用来求解抛物型方程，如有限差分法、有限元法等。

有限差分法求解抛物型方程说明

有限差分法求解抛物型方程偏微分方程只是在一些特殊情况下，才能求得定解问题解的解析式，对比较复杂的问题要找到解的解析表达式是困难的，因此需采用数值方法来求解.有限差分法是一种发展较早且比较成熟的数值求解方法，只适用于几何形状规则的结构化网格.它在微分方程中用差商代替偏导数，得到相应的差分方程，通过解差分方程得到微分方程解的近似值.本章主要介绍有限差分法的基本思想，并给出一些具体的数值实例.§1 差分方法的基本思想有限差分法把偏微分方程的求解区域划分为有限个网格节点组成的网格，主要采用Taylor 级数展开等方法，在每个网格节点上用有限差分近似公式代替方程中的导数，从而建立以网格节点上的函数值为未知数的代数方程组.有限差分格式，从格式的精度来划分，有一阶格式、二阶格式和高阶格式.从差分的空间形式来考虑，可分为中心格式和逆风格式.考虑时间因子的影响，差分格式还可以分为显格式、隐格式和显隐交替格式等.目前常见的差分格式，主要是上述几种格式的组合，不同的组合构成不同的差分格式.泰勒级数展开法对有限差分格式的分类和公式的建立起着十分重要的作用.下面采用泰勒展开式导出一个自变量系统的若干有限差分表达式.首先考虑单变量函数()u x ，如图1把区域x 离散为一批结点，记0()(), =0,1,2,i i u x u x ih u i =+=图1 单变量函数离散化函数()u x 在点i x 处的泰勒展开式为23()()()()()2!3!i i i i i u x u x u x h u x u x h h h ''''''+=++++ （1）或23()()()()()2!3!i i i i i u x u x u x h u x u x h h h ''''''-=-+-+ （2）式(1)和(2)重新整理可得2()()()()()2!3!i i i i i u x h u x u x u x u x h h h '''''+-'=---（3）和2()()()()()2!3!i i i i i u x u x h u x u x u x h h h '''''--'=+++（4）于是给出在点i x 处函数u 的一阶导数的两个近似公式1()()()i i i ii u x h u x u u u x h h ++--'≈= （5）1()()()i i i i i u x u x h u u u x h h----'≈= （6）因为级数被截断，这两个近似公式肯定要产生误差，此误差与h 同阶，形式分别为()(), ,2()(), .2i i i i i i hE u O h x x h hE u O h x h x ξξξξ''=-=≤≤+''==-≤≤ 若把式(3)和(4)相加并求()i u x '，可得11()()()22i i i i i u x h u x h u u u x h h+-+---'≈= （7）其截断误差与2h 同阶，形式为22()(), ,6i i i h E u O h x h x h ξξ''=-=-≤≤+若把式(3)和(4)相减并求()i u x ''，可得1122()2()()2()i i i i i i i u x h u x u x h u u u u x h h +-+-+--+''≈= （8）其截断误差与2h 同阶，其形式为22()(), ,12i i i h E u O h x h x h ξξ''=-=-≤≤+我们可继续用这种方式来推导更复杂的公式，类似的公式还有很多，这里不再一一列举.公式（5）、（6）分别称为一阶向前、向后差分格式，这两种格式具有一阶计算精度，公式（7）、（8）分别称为一阶、二阶中心差分格式，这两种格式具有二阶计算精度.图2 二维区域网格剖分上面的结果可直接推广使用于导出二元函数(,)u x y 的许多有限差分近似公式.如图7.2，把求解区域进行网格剖分，使12(,)(,), ,=0,1,2,i j ij u x y u ih jh u i j ==其中x 方向的网格间距为1,h y 方向的网格间距为2,h 整数i 和j 分别表示函数(,)u x y 沿x 坐标和y 坐标的位置.二元函数(,)u x y 对x 求偏导时y 保持不变，对y 求偏导时x 保持不变，根据向前差分公式（7.5）可以给出在点(,)i j x y 处函数(,)u x y 的一阶偏导数的两个近似公式1,,1(,)i j i j i ju x y u u xh +∂-≈∂ （9）,1,2(,)i j i j i ju x y u u yh +∂-≈∂ （10）相类似地，根据二阶中心差分格式（8）可以得到函数(,)u x y 的二阶偏导数的近似公式21,,1,221(,)2i j i j i j i ju x y u u u x h +-∂-+≈∂ （11）2,1,,1222(,)2i j i j i j i j u x y u u u yh+-∂-+≈∂ （12）下面我们推导函数(,)u x y 的二阶混合偏导数2ux y∂∂∂在(,)i j x y 的有限差分表达式.根据一阶中心差分格式（7），112111,11,11,11,122121221,11,1(,)(,)(,)1()21 ()()222 i j i j i j i j i j i j i j i j i j i u x y u x y u x y O h x y h y y u u u u O h O h h h h u u u +-+++--+--+++-∂∂∂⎡⎤⎡⎤∂=-+⎢⎥⎢⎥∂∂∂∂⎣⎦⎣⎦--⎡⎤=-++⎢⎥⎣⎦--≈1,11,1124j i j u h h -+--+二维有限差分近似可以直接推广到三维空间或三维空间加一维时间的情形.定义1 当步长趋于零时，差分方程的截断误差趋于零，则称差分格式与微分方程是相容的.定义2 当步长趋于零时，差分方程的解收敛于微分方程的解，则称差分格式是收敛的. 定义3 当差分方程的解由于舍入误差的影响，所产生的偏差可以得到控制时，则称差分格式是稳定的.§2 抛物型方程的有限的差分法为了说明如何使用有限差分法来求解偏微分方程，本节我们给出以下几个数值实例.算例1 考虑一维非齐次热传导方程的初边值问题：2212(,), 01,01,(,0)(), 01,(0,)(), (1,)(), 0 1.u ua f x t x t t x u x q x x u t g t u t g t t ⎧∂∂=+<<<≤⎪∂∂⎪⎪=≤≤⎨⎪==<≤⎪⎪⎩(7.13),其中2,a =函数11(,)[cos()2sin()],22xf x t e t t =--+-初始条件1()sin,2xq x e =左、右边界条件分别为11()sin(),2g t t =-21()sin()2g t e t =-.该定解问题的解析解为1(,)sin(),(,)[0,1][0,1].2xu x t e t x t =-∈⨯将求解区域{(,)|,0}x t a x b t T Ω=≤≤≤≤进行网格剖分，[,]a b 作m 等分，[0,]T 作n 等分，记,,b a Th m nτ-==则 ,0,,0i k x a ih i M t k k n τ=+≤≤=≤≤对该问题建立如下向前差分格式：11122, 11, 11,k kk k k k i i i i i i u u u u u a f i m k n hτ+-+--+=+≤≤-≤≤-（14） (,0)(),1,i i u x q x i m =≤≤ （15） 12(,)(), (,)(),1.k k k k u a t g t u b t g t k n ==≤≤ （16）令2r ah τ=，差分格式（7.14）整理得111(12), 11, 1 1.k k k k k i i i i i u ru r u ru f i m k n τ+-+=+-++≤≤-≤≤- （17）显然时间在1k t +上的每个逼近值可独立地由k t 层上的值求出。