常微分方程邊值問題 譜方法

2022-08-24 21:09:10 字數 1902 閱讀 7729

譜方法(spectral method)配點法(collocation method)的一種。一般來說,配點法包括有限元方法(finite element)和譜方法(spectral method)。配點法的一般思路是:選取合適的函式基底,這些函式基底的導數都是已知的,求得疊加係數,將這些函式基底的組合作為邊界條件下常微分方程的近似解。其中,有限元方法選用的函式基底是局域的(localized support),即這些基底往往只在區域性幾個點處非零,比如b-樣條;而譜方法選用的函式基底是全域的(global support),即這些基底在整個實數域上大部分非零,比如多項式和三角函式。

對於乙個線性常係數的常微分方程,一般都可以求得解析解的;但是對於線性但非常係數的情形,解析解不容易求。有的可以用特殊的換元方法(比如尤拉方程),有的必須用泰勒級數或者洛朗級數展開的方法求解,這種解一般也不會是初等函式,而是特殊函式/無窮級數這一類。不過只要是線性方程,使用譜方法求解總能化成線性方程組,因此特別簡單。具體地說:

1. 線性常微分方程邊值問題+以多項式為基底的譜方法

常微分方程:$f(y^, y^, ..., y^, y'', y',y, t)=0$ ,其中 $f$ 關於 $y$ 的任意階的導數都是線性的,即所有導數(包括零階的原函式)的冪次都是1,所有項的次數也都是1。像這樣的線性形式,我們或者也可以寫成:$a_m(t)y^+a_(t)y^+...+a_2(t)y''+a_1(t)y'+a_0(t)y+a(t)=0$ 。

如果選擇在兩個上下界之中插入k個點進行配點,則總計配點個數為k+2=n,我們預計用這n個點的資訊產生n個方程,此時可以確定含有n個未定引數的解析式,因此設:$\hat(t)=x_0+x_1t+x_2t^2+...+x_t^$ ,並用它作為 $y(t)$ 的估計值。這樣一來,$\hat(t)$ 的任意階導數總是很容易求得的,它就是: $$\hat^(t)=\sum\limits_^p_i^kx_it^=\sum\limits_^\fracx_it^$$  以上僅僅是乙個最一般的表示式,事實上在使用過程中非常高階的導數是很罕見的(至少在絕大多數物理問題中),最高端為2是最為常見的,這些情形下 $y(t)$ 的導數的表示式都很簡單。

現在,我們擁有了可以求任意階導數的估計值 $\hat(t)$ 的表示式,其中有n個未定引數 $x_i$ ,我們設上下界分別是 $t_1$ 和 $t_n$ ,然後可以在區間內選取n-2個點 $t_2, t_3, ..., t_$ 。我們將用這n個點(配點)和 估計值$\hat(t)$ 的表示式,將線性的微分方程寫成乙個線性的代數方程。我們記:

$$f(y^, ... y'', y', y, t)=0\quad \rightarrow \quad a_m(t)\hat^(t)+...a_2(t)\hat''(t)+a_1(t)\hat'(t)+a_0(t)\hat(t)+a(t)=\sum\limits_^ma_k(t)\hat^(t)+a(t)=0$$  只需要在n個配點上分別把 $t=t_i$ 和 $\hat^(t)$ 的導數形式帶入方程就可以了。我們得到:

$$\sum\limits_^ma_k(t)\hat^(t)+a(t)=\sum\limits_^ma_k(t)\sum\limits_^p_j^kx_jt^=\sum\limits_^m\sum\limits_^x_ja_k(t)p_j^kt^=0$$  代入n個配點$t_i$ 就得到了關於 $x_j$ 的線性方程組:$$\sum\limits_^m\sum\limits_^a_k(t_i)p_j^kt_i^x_j=0$$  這裡除了 $x_j$ 以外,其他所有資料都是已知量(或者可以直接求出);同時關於 $x_j$ 均為一次關係,為關於 $x_j$ 的線性方程組。利用解線性方程組的方法求得 $x_j$ 後,就可以得到關於t的微分方程解的估計值表示式:$$\hat(t)=\sum\limits_^nx_kt^k$$

當然,譜方法主要用於求解偏微分方程

常微分方程

微分方程這裡,感覺難度明顯上來了。核心思路,消去微分 分離變數法,想方設法分離變數 齊次微分方程 對於無法直接分離變數的方程,如果是y和x的次數一樣,並且不含常數項。可以可以化為齊次,變數代換求解 一階線性微分方程 常數變易法。常數變易法我覺得關鍵是變和易,因為先當作乙個常數0,是比較容易解決的。然...

常微分方程的數值解法系列一 常微分方程

在慣性導航以及vio等實際問題中利用imu求解位姿需要對imu測量值進行積分得到需要的位置和姿態,其中主要就是求解微分方程。但之前求解微分方程的解析方法主要是應用於一些簡單和特殊的微分方程求解中,對於一般形式的微分方程,一般很難用解析方法求出精確解,只能用數值方法求解。該系列主要介紹一些常用的常微分...

常微分方程數值解上機

二步顯式 adams 法和gear 法求解,y 0 1,步長分別為h 0.1和h 0.05 1.程式文字 二步顯式 adams法 clc y 1 1 h 0.1 y 2 y 1 2 h y 1 3 h n 1 h fori 2 n y i 1 y i 3 h y i h y i 1 3 h endt...