抛物型方程差分法资料
抛物型方程的差分格式
a umn 1 umn 1 2h
a
umn 1
2umn h2
umn 1
抛物型方程的古典显格式
整理得方程(2.38)的显式格式(2.39)
U n1 m
(1
2ra)U
n m
r
(a
1 2
ha)U
n m1
r
(a
1 2
ha)U
n m1
截断误差为 O(k h2 ).
tn x
抛物型方程的古典显格式
三、算子
Dx
x
为 x 方向偏导数算子
Tx为 x 方向位移算子
Txumn umn 1, Tx1umn umn 1
μ x 为 x 方向平均算子
xu
n m
1 2
un
m
1 2
un
m
1 2
抛物型方程的古典显格式
x 方向差分算子
边界条件为 u(0,t) 1(t) 0, 0 t 0.20 u(1,t) 2(t) 0, 0 t 0.20
取步长⊿x = h = 0.2 , ⊿t = k = 0.02 。
抛物型方程的古典显格式
解 r = k / h2 = 0.02 / 0.22 = 0.5, 古典显式格式为
n m
umn
h
h 2!
2u x2
n
m
h2 3!
3u x3
n
m
微分方程数值解法课程设计---抛物型方程问题的差分格式[9页].doc
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目录一、问题的描述 (1)二、算法设计及流程图 (1)2.1 算法设计 (1)2.2 流程图 (2)三、算法的理论依据及其推导 (2)3.1 截断误差分析 (2)3.2 稳定性分析 (3)四、数值结果及分析 (3)五、总结 (5)六、附件（源代码） (6)抛物型方程问题的差分格式一、问题的描述有限差分方法就是一种数值解法，它的基本思想是先把问题的定义域进行网格剖分，然后在网格点上，按适当的数值微分公式把定解问题中的微商换成差商，从而把原问题离散化为差分格式，进而求出数值解。
此外，还要研究差分格式的解的存在性和唯一性、解的求法、解法的数值稳定性、差分格式的解与原定解问题的真解的误差估计、差分格式的解当网格大小趋于零时是否趋于真解(即收敛性)，等等。
偏微分方程边值问题的差分法是物理上的定常问题，其定解问题为各种边值问题， 即要求解在某个区域内满足微分方程，在边界上满足给定的边界条件。
常系数扩散方程的差分解法可归结为选取合理的差分网格，建立差分格式求解。
常系数扩散问题的有限差分格式求常系数扩散问题为正常数其中a ,0,,22>∈∂∂=∂∂t R x xua t u （1.1） 的近似解，其初始条件为R x x g x u ∈=),()0,(二、算法设计及流程图2.1 算法设计运用加权隐式格式求解常系数扩散问题（1.1）02)1(22111112111=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+--++-------+-+-h u u u h u u u a u u n j n j n j n j n j n j n jn j θθτ，（1.6） 10≤≤θ,h τ其中分为时间步长和空间步长。
步骤1 输入初始值，确定加权隐式格式的参数；步骤2 定义向量A ，把初边值条件离散，得到0j u ，j=0,1,…,J 的值存入向量A 步骤3 利用加权隐式差分格式由第n 层计算第n+1层，建立相应线性方程组，求解并且存入向量A;步骤4 计算到t=1，输出u2.2 流程图三、算法的理论依据及其推导3.1 截断误差分析常系数扩散问题（1.1）的加权隐式格式如下：02)1(22111112111=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+--++-------+-+-h u u u h u u u a u u n j n j n j n j n j n j n jn j θθτ，（1.6） 其中10≤≤θ，,h τ其中分为时间步长和空间步长。
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。
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。
偏微分课程课件8_抛物型方程的有限差分方法(II)
2 x
2）unjl1
y
2
unjl
利用Taylor展式得
（1
1 4
2a2 h4
x2
2）u(
y
xj
,
yl
,
tn1
)
u(
x
j
,
yl
,
tn
)
ha2（
2 x
2）u(
y
x
j
,
yl
,
tn1 ) 2
u( x
j
,
yl
,
tn
)
O(
2
h2
).
考察格式稳定性，将
（1
1 4
2a2
h4
x2
2）unjl1
y
unjl
ha2（
无条件稳定（绝对稳定）
O( 2 h2 h2 )
unjl
un1 jl
a
1 h2
(
2 x
unjl
u2 n
y jl
)
un1 jl
u
n jl
a 2h2
[
2 x
(unjl1
unjl
)
2 y
(unjl1
unjl
)]
显格式：稳定性限制严格 a 1
2p
一维隐格式：绝对稳定，系数矩阵为三对角矩阵 并可用追赶法求解
x jl
u2 n
y jl
), 其中
h2
截断误差 O( h2 h2 )
Fourier方法分析稳定性： unjl =vneik1 jheik2lh vn+1 ={1+2a( cos k1h 1)+2a( cos k2h 1)}vn
3-抛物型方程的有限差分法
中都是精确的，则初始 误差的传递情况如表 1：
表1 r=1/2时Richardson格式的误差传播
-4
0 1 2 3 4 5 6
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
0 0 0 0
0 0 0
0 0
0
0
0 0
0 0 0
0 0 0 0
2
4 7 4
24 17 6
6 17
于( x j , t
1 k 2
)(t
k
1 2
1 ( k ) )展开，则得 2
2 2 Rk ( u ) 0 ( h ). (1.9) j
(四)
Richardson 格式，即 a
k k uk 2 u u j 1 j j 1 2
1 k 1 uk u j j
2 h 1 k k k k 1 或u k 2 r ( u 2 u u ) u 2f j .(1.10) j j 1 j j 1 j
例1 写出向前差分格式的矩 阵形式。
1 k uk u j j
解
a
k k uk 2 u u j 1 j j 1
h
2
fj
1 k k k uk ru ( 1 2 r ) u u j j 1 j j 1 f j
显然A I (( N 1)阶单位矩阵， B (1 2r ) I rS , 其中 0 1 0 1 0 0 S 0 0 0 1 0 0 1 0 故C (1 2r ) I rS .
( 2.4)
同理：对于向后差分格 式，即
抛物型方程的差分方法
2) 逆风差分格式
1 un un j j
a
n un j u j 1
§5 抛物型方程的差分方法
本章內容: 1． 常系数抛物型方程的初值问题 2．初边值问题 3．对流扩散方程 4．Richardson外推法 ^^数值实验4（网格比的重要性） ^^数值实验5 (Richardson 外推的精度) 5．变系数方程 6．二维抛物型方程问题的计算
1． 常系数抛物型方程初值问题
1 2
返回本节
c. 三层显式关系 Richardson格式 n n 1 1 un un un j j j 1 2u j u j 1 a 0 h2 2 Du Fort－Frankel格式
1 1 un un j j
2
a
n 1 1 n un un j 1 (u j j ) u j 1
目标点：Jh 1, x j jh, N T , ( x j , t n )
1 n n un un un j j j 1 2u j u j 1 内部点的离散： a 0 h2
边值点的离散： u0 ( n ), u J (n )
n n
初值点的离散： u j f (x j ) f j
1 4(1 )a sin 2 1 4a sin 2 kh 2
kh 2
3
G ( , k ) 1 1 G ( , k ) 1 4a (1 2 )sin 2 2a (1 2 ) 1 kh 2 2 0 1 2
2.2 抛物型方程的差分解法
u ( j 1, n) 2u ( j , n) u ( j 1, n) u 2h 4 ( j , n) u ( j , n) 2 2 4 h 2 t 4! x
n
（8）
0
Lu j
n
Lh, u j R j n
式中：
2 4 2 2 h 2 Rn u ( j , n ) u ( j , n ) O ( h ) j 4 2 4! x 2 t
(backward space difference) (backward time difference)
u n j
（3）一阶中心差分（central difference）
hu
n j
un 1 un
j 2
j
1 2
h
u
n j
uj
n
1 2
uj
n
1 2
1 n 1 un u j j
n
（22）
n+1 n
j-1
j
j+1
注意：
① 泰勒展开点在格边上，不是在结点上，但在格式中未出现格边量。 ② ③
O( 2 h2 ) ——全二阶精度。 1 在 ( j, n ) 点展开时，用到了周围6个结点上的量，该格式又称为六点格式。 2 Rj
2u idea：是将微分方程中的 2 项以 u ( x, t ) x
u j n1 u j n 1 2
u j 1n 2u j n u j -1n h2
0 (23)
(24)
u j n1 2r(u j 1n - 2u j n u j 1n ) u j n1
第四章 抛物型方程的有限差分方法
2 h 称为Du Fort -Frankel格式，仍为三层显式格式．
2
a
n 1 n 1 n un ( u u ) u j 1 j j j 1
0
截断误差： T x j , tn a u x j , tn u x j , tn 2 u x j h, tn u x j , tn u x j , tn u x j h, tn h2
1 2a G , k 0
0 4a cos kh 1 2a 1 1 0 4a cos kh 1 2a 1 2a 1 2a 0 1
2
1
4a cos kh 2a 1 G , k 的特征方程： 0 1 2a 1 2a
修正 Richardson：无条件不稳定显格式
Du Fort Frankel：无条件稳定的三层显格式． 但后者的相容性是有条件的．事实上， 显格式中，无条件相容和无条件稳定是无法同时成立的．
4 三层隐式格式
先考虑
n 1 n u u 3 j j n n 1 u u 1 j j 1 n1 n1 un 2 u u j 1 j j 1
引理1.1实系数二次方程 2 b c 0的根： c 1． 模 1 b 1 c， " "设1 , 2是方程两根，且 i 1 i 1, 2 证： c b 则12 c1 2 b a a 12 c c 1 2 1 1 2 b 1 c b 1 12 1 2 1 12 1 2 1 1 1 2 0, 若 1 2 0 1 12 1 2 1 1 1 2 0, 若1 2 0 b 1 c
第三章_抛物型方程的有限差分法(1)
1 1 ek ek j j
a
fj
k
k e k 用 ekj u j u j 表示相应节点处差分解的误差，则 j 满足
2
a
h2
以上是误差传播方程。设误差只在初始层的原点(j=0)发生，
0 1 即 e j j 0 ( 0, 00 1, j 0 0,当j 0 ） ， e j 0 ，而在以后的
u 2u a 2 f ( x), t x 0t T
(1)
其中 a 是正常数，f(x)是给定的连续函数。 x 称作空间变量，
t 称作时间变量。
（1)的定解问题有以下几类： 初值问题(也称 Cauchy 问题)：求函数 u(x,t)，满足方程(1) 和初始条件：
u( x,0) ( x), x
k1
a u ( x j 1,tk ) 2u ( x j ,tk ) u ( x j 1,tk ) [ 2 h2 u ( x j 1,tk 1 ) 2u ( x j ,tk 1 ) u ( x j 1,tk 1 ) k1 2 ] [ u au ] t xx j 2 h
1
k 1 j
1
占优且是三对角的，方程总是可解的，可采用追赶法 求得方程的解。 截断误差：
1 Rk j (u ) Lh u ( x j , t k 1 ) Lu ( x j , t k 1 )
u ( x j 1,tk 1 ) 2u ( x j ,tk 1 ) u ( x j 1,tk 1 ) u ( x j , tk 1 ) u ( x j , tk ) k 1 a ut au xx j 2 h ut au xx j
h2
抛物型方程有限差分法
抛物型方程有限差分法1. 简单差分法考虑一维模型热传导方程(1.1) )(22x f xua t u +∂∂=∂∂，T t ≤<0 其中a 为常数。
)(x f 是给定的连续函数。
（1.1）的定解问题分两类：第一，初值问题（Cauchy 问题）：求足够光滑的函数()t x u ,，满足方程（1.1）和初始条件：（1.2） ()()x x u ϕ=0,, ∞<<∞-x第二，初边值问题（也称混合问题）：求足够光滑的函数()t x u ,，满足方程（1.1）和初始条件：()13.1 ()()x x u ϕ=0,,l x l <<-及边值条件()23.1 ()()0,,0==t l u t u ，T t ≤≤0假定()x f 和()x ϕ在相应的区域光滑，并且于()0,0，()0,l 两点满足相容条件,则上述问题有唯一的充分光滑的解。
现在考虑边值问题（1.1），（1.3）的差分逼近 取 N l h =为空间步长，MT=τ为时间步长，其中N ，M 是自然数， jh x x j ==, ()N j ,,1,0Λ=； τk y y k ==, ()M k ,,1,0Λ=将矩形域G {}T t l x ≤≤≤≤=0;0分割成矩形网格。
其中 ()j i y x ,表示网格节点；h G 表示网格内点（位于开矩形G 中的网格节点）的集合； h G 表示位于闭矩形G 中的网格节点的集合；h Γ表示h G -h G 网格边界点的集合。
k j u 表示定义在网点()k i t x ,处的待求近似解，N j ≤≤0，M k ≤≤0。
注意到在节点()k i t x ,处的微商和差商之间的下列关系（(,)kj k ju u x t t t ∂∂⎛⎫≡ ⎪∂∂⎝⎭）：可得到以下几种最简差分格式 （一） 向前差分格式()24.1 ()j j j x u ϕϕ==0， k u 0=kN u =0其中1,,1,0-=N j Λ，1,,1,0-=M k Λ。
抛物型方程的差分方法
tn nk xm mh
n
0,1,2,
,
N;
N
T k
m 0,1,2,
在 t 0上的结点称为边界结点，属于 内的结点 称为内部结点。
对于初边值问题，设 (x,t) | 0 x 1,0 t T
，则网格是
tn nk xm mh
n
0,1,2,
,
N;
N
T k
m 0,1,2, , M ; Mh 1
u(0,t) 1(t),u(1,t) 2 (t) 0 t T (2.4)
2.1 差分格式建立的基础
为了构造微分方程(2.1)的有限差分逼近，首 先将求解区域用二组平行于t 轴和 x轴的直线构 成的网格覆盖，网格边长在方向 t为 t k，在 x 方向为x h (如图2.1所示)。h,k分别称为空间方向 和时间方向的步长，网格线的交点称为网格的结 点。对初值问题来说，网格是
4x
umn
2 x
3 x
11 12
3x
umn
2 x
1 12
4 x
1 90
6 x
umn
(2.19.1)
(2.19.2)
(2.19.3)
返回 返回 35 42
对于三阶、四阶偏导数的差分表达式为
h3
(
3u x3
)nm
3x 3x
3 2
4x
3 2
4 x
7 4 7 4
5x
5 x
umn umn
(2.20.1) (2.20.2)
)U
n m
代入
2 x
的表达式，则得差分方程
(2.28)
古典显式差分格式
U
n1 m
rU
3-抛物型方程的差分方法
，则退化为古典隐式格式；
(3)取 1/ 2 ，则退化为Crank-Nicholson六点格式
为了提高对时间的截断误差，可用中心差分
u
n 1 j
u
n 1 j
2
a
u
n j 1
2u u h
n j 2
n j 1
0
Richardson格式，它是二阶精度的三层显式格式。 通过将其化为等价的二层差分格式，可给出其增 长矩阵为
n u1n u1n 1 au0 n n 1 u2 0 u2 n n 1 u u 0 3 3 n n 1 a u N 2 u N 2 u n u n 1 au n 1 2a N 1 N 1 N
u 2u 0 x 1, t 0 t a x 2 , u ( x, 0) ( x), 0 x 1 u / x u t0 x0 g1 (t ), t0 u / x u x 1 g 2 (t ),
古典显式格式
u
截断误差是 增长因子是
n 1 j
u
n j
a
u
n j 1
2u u h
n j 2
n j 1
0
T O( h2 )
kh G( , k ) 1 4a sin 2 其中网格比 / h2
2
稳定性条件是
1 a 2
古典隐式格式
n 1 un u j j
0
a 0 0
a 0
如用Crank-Nicholson六点格式 n n n n 1 n 1 n 1 n 1 1 1 1 a u (1 a ) u a u u a ( u 2 u u j 1 j j 1 j j 1 j j 1 ) 2 2 2 可得如下代数方程组
抛物形扩散方程的有限差分法与数值实例
偏微分方程数值解所在学院：数学与统计学院课题名称：抛物形扩散方程的有限差分法及数值实例学生：向聘抛物形扩散方程的有限差分法及数值实例1.1抛物型扩散方程抛物型偏微分方程是一类重要的偏微分方程。
考虑一维热传导方程：22(),0u ua f x t T t x∂∂=+<≤∂∂ (1.1.1) 其中a 是常数，()f x 是给定的连续函数。
按照初边值条件的不同给法，可将(1.1.1)的定解分为两类：第一，初值问题（Cauchy 问题）：求足够光滑的函数()t x u ,，满足方程(1.1.1)和初始条件：()()x x u ϕ=0,, ∞<<∞-x (1.1.2)第二，初边值问题（也称混合问题）：求足够光滑的函数()t x u ,，满足方程(1.1.1)和初始条件：()()x x u ϕ=0,, 0x l << (1.1.3) 及边值条件()()0,,0==t l u t u ， T t ≤≤0 (1.1.4)假定()x f 和()x ϕ在相应的区域光滑，并且于()0,0，()0,l 两点满足相容条件,则上述问题有唯一的充分光滑的解。
1.2抛物线扩散方程的求解下面考虑如下热传导方程22()(0.)(,)0(,0)()u ua f x t x u t u L t u x x ϕ⎧∂∂=+⎪∂∂⎪⎪==⎨⎪=⎪⎪⎩(1.2.1) 其中，0x l <<，T t ≤≤0,a (常数)是扩散系数。
取N l h =为空间步长，MT=τ为时间步长，其中N ，M 是自然数，用两族平行直线jh x x j ==,()N j ,,1,0Λ=和k t t k τ==, ()M k ,,1,0Λ=将矩形域G {}T t l x ≤≤≤≤=0;0分割成矩形网格。
其中 (),j k x t 表示网格节点；h G 表示网格点（位于开矩形G 中的网格节点）的集合；h G 表示位于闭矩形G 中的网格节点的集合；h Γ表示h G -h G 网格边界点的集合。
教案4(抛物型方程的有限差分方法)
第四章 抛物型方程的有限差分方法1 常系数扩散方程22u ua t x∂∂=∂∂，x R ∈，0t > （1.1） 其中a 为正常数。
如果给点初始条件(,0)()u x g x =，x R ∈ （1.2）（1.1）式和（1.2）式构成了一个初值问题。
1.1 向前差分格式，先后差分格式以上初值问题的向前差分格式111220n n n n nj jj j j u u u u u ahτ++---+-= （1.3）0()j j u g x = （1.4）其截断误差为2()O h τ+，易其增长因子为2(,)14sin 2khG k a τλ=- 其中2h τλ=，如果有12a λ≤，则有(,)1G k τ≤，即von Neumann 条件满足。
因此（1.3）稳定的条件是12a λ≤。
（1.1） 的先后差分格式 111220n n n n nj jj j j u u u u u ah τ-+---+-= （1.5）是无条件稳定的格式。
1.2 加权隐式格式把（1.3）改写为111111220n n n n n j jj j j u u u u u ah τ----+---+-= (1.3)' 用(1.5)(1)(1.3)θθ'⋅+-⋅得，111111112222[(1)]0n n n n nn n n j jj j j j j j u u u u u u u u a hhθθτ----+-+---+-+-+-= （1.6）其中01θ≤≤，称差分格式（1.6）为加权隐式格式。
其节点分布如图（4.1）把（1.6）改写为便于计算的形式11(12)n n nj j j a u a u a u λθλθλθ+--++-=11111(1)[12(1)](1)n n n j j j a u a u a u λθλθλθ---+--+--+-（1.7）其中2h τλ=。
(1.6)式中，取12θ=，用1n n +→，得 111111112[(2)(2)02n n j jn n n n n nj j j j j j u u a u u u u u u hτ+++++-+----++-+= （1.8） 此格式称为Crank-Nicolson 格式。
抛物型方程差分法
ui0 ( xi ), u0k (tk ), umk (tk ), 0 i m, 0 k n.
uk1 i
uik
r
(uik1
2uik
uk i 1
)
f
( xi , tk ),
a
r h2
课堂上完成。观察数值结果，分析其原因。
四、数值格式的理论分析
数值计算主要误差来源：
离散误差（相容性） + 稳定性
第三步，
循环：
uk1 i
uik
r
(
uk i 1
2uik
uk i 1
)
f
( xi , tk )
用时间渐进显格式求解时间层上的温度分布
第四步， 输出
三、数值算例（向前欧拉方法）
u 2u t x2 0 , 0 x 1, 0 t 1
u( x,0) ex , 0 x 1 u (0, t ) et , u (1, t ) e1t , 0 t 1 原方程的真解为 u( x, t ) e xt .
u
2u
t
a x2
f ( xi , tk ),
( xi , tk )
( xi , tk )
u( xi ,0) ( xi ),
0 i m,
0 i m,
0 k n.
u(0, tk ) (tk ), u(1, tk ) (tk ), 0 k n.
关于时间的一阶偏导数用向后差商近似，
t ( xi ,tk )
误差为 O( )
关于空间的二阶偏导数用中心差商近似，
2u x 2
u( xi1 , tk
)
2u( xi , tk h2
)
u( xi1, tk
抛物型方程的有限差分方法
抛物型方程的有限差分方法一，求解问题考虑一维非齐次热传导方程的定解问题22(,),0,0(,0)(),0(0,)(),(1,)(),0u ua f x t x l t T t xu x t x l u t t u t t t T ϕαβ∂∂-=<<<≤∂∂=≤≤==<≤......(1)..................(2) (3)其中α为正长数，(,)f x t ,()t ϕ,()t α,()t β为已知函数，(0)(0),(1)(0)ϕαϕβ==,式（2）为初值条件，（3）为边值条件。
二，网格剖分取空间步长/h l M =和时间步长/T N τ=，其中M 、N 都是整数。
用两族平行直线,(0,1,,)i x x ih i M ===和(0,1,,)k t t k i N τ===将矩形域{0;0}Gx l t T =≤≤≤≤分割成矩形网格，网格结点为(,)i k x t 。
以h G 表示网格内点集合，即位于开矩形G 的网点集合；h G 表示所有位于闭矩形G 的网点集合；h h G G Γ=-是网格界点集合。
其次，用ki u 表示定义在网点(,)i k x t 的函数，11,01i Mk N ≤≤-≤≤-。
用适当的差商代替方程（1）中相应的偏微商。
三， 差分格式 1， 向前差分 向前差分格式111202()(),11,01k kk k kiii i i ii i kki i i M u u u u u af hf f x u x u u i M k N ττϕϕ++---+=+====≤≤-≤≤-以2/ra h τ=为网比。
将上式改写为便于计算的形式，则得以下向量形式111(12)()(,)11,01k k k kii i i i k u r u r u u f x t i M k N τ+-+=-+++≤≤-≤≤-上式表示第k 层的值显示表示出来。
已知第k 层的值{|1}k i u i M ≤≤，则可以直接得到第k+1的值1{|1}k i u i M +≤≤。
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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
( xi , tk ),
r
a
h2
向前欧拉差分格式是显格式，则对于任意网比 r ， 均唯一可解的。此外，相容性可由局部截断误差保证。
接下来考察差分格式的稳定性。一个数值格式的稳定 性指的是当初始条件有微小误差时，如果用某数值格 式计算出的数值解与原来的解误差不大，则称此格式 稳定。如果初始小误差引起后来解的较大误差，则此 格式不稳定。所以，数值格式的稳定性是考察一个算 法优劣的重要评价标准之一。这里，我们先只考察齐 次方程、零边界条件的情形。
0 i m,
u(0, tk ) (tk ), u(1, tk ) (tk ), 0 k n.
将数值解 uik 代替精确解 u( xi , tk ) 并忽略高阶小项， 则可以建立以下向前欧拉差分格式：
uik ui0
1
uik ( xi
),
a
uk i 1
0i
2uik h2
m,
收敛性
即逼近误差
误差传播
考察差分格式的好坏
1. 局部截断误差（相容性） 2. 扩张矩阵的特征值（稳定性）
Lax等价定理：相容性成立，则稳定性等价于收敛性。
ui0 ( xi ), u0k (tk ), umk (tk ), 0 i m, 0 k n.
uk1 i
uik
r
(uik1
2uik
用时间渐进显格式求解时间层上的温度分布
第四步， 输出
三、数值算例（向前欧拉方法）
u 2u t x2 0 , 0 x 1, 0 t 1
u( x,0) ex , 0 x 1 u (0, t ) et , u (1, t ) e1t , 0 t 1 原方程的真解为 u( x, t ) e xt .
f ( xi , tk ) 中的偏导数
( xi , tk )
( xi , tk )
关于时间的一阶偏导数用向前差商近似，
u
u( xi , tk1 ) u( xi , tk )
t ( xi ,tk )
误差为 O( )
关于空间的二阶偏导数用中心差商近似，
2u x 2
u( xi1 , tk
)
2u( xi , tk h2
0 k n.
ui0 ( xi ), u0k (tk ), umk (tk ), 0 i m, 0 k n.
uk1 i
uik
r
(
uk i 1
2uik
uk i 1
)
f
( xi , tk ),
t
时间渐进显格式
t k 1•
r
a
h2
•
tk •
•
• — 已知结点
t k 1•
•
• •
t2 •
uk i 1
f ( xi , tk ),
0 i m,
0 k n,
u0k
(tk ),
umk (tk ),
0 k n.
可见上述格式的局部截断误差为 O( h2 )
4.差分格式的求解
uk1 i
uik
a
uk i 1
2uik h2
uk i 1
f ( xi , tk ), 1 i m 1,
ui0 ( xi ), u0k (tk ), umk (tk ), 0 i m, 0 k n.
uk1 i
uik
r
(
uk i 1
2uik
uk i 1
)
f
( xi , tk ),
r
a
h2
课堂上完成。观察数值结果，分析其原因。
四、数值格式的理论分析
数值计算主要误差来源：
离散误差（相容性） + 稳定性
•
t1 •
•
O • x•1 x•2 • x•i1 x•i x•i1 •l
x
5.编程实现的基本环节
第一步，参数设置，如剖分数，节点坐标，a, 已知函
数 (x), f (x, t ), 时间、空间步长等。
第二步， 初始和边界条件确定
第三步，
循环：
uk1 i
uik
r
(uik1
2i , tk )
u
2u
t
a x2
f (xi , tk ),
( xi , tk )
( xi , tk )
u( xi ,0) ( xi ),
0 i m,
0 i m,
0 k n.
u(0, tk ) (tk ), u(1, tk ) (tk ), 0 k n.
3.处理方程 u
t
2u a x2
抛物型方程差分法
一、研究对象
1. 研究的对象—— 抛物型方程.
一维问题：
u 2u t a x2 f (x, t)
二维问题：
u
2u 2u
t a ( x2 y2 ) f (x, y, t)
物理意义：细杆、薄板的热传导现象
解决问题：方程 适当的初边值条件
考虑一维热传导方程：
u 2u t a x2 f ( x, t ), 0 x 1, 0 t T
u( x,0) ( x), 0 x 1
初始条件
u(0, t) (t), u(1, t) (t), 0 t T
边界条件
其中 a > 0 为常数。
物理意义：长度为 1，侧表面绝热的均匀细杆，初始 温度已知，细杆两端的温度已知，则杆内部的温度
分布函数 u( x,满t)足以上方程。
二、建立差分格式——向前欧拉方法