Теория и практика параллельных вычислений



             

Последовательные методы решения задачи Дирихле


Одним из наиболее распространенных подходов к численному решению дифференциальных уравнений является метод конечных разностей (метод сеток) (см., например, [[6], [13], [60]]). Следуя этому подходу, область решения D можно представить в виде дискретного (как правило, равномерного) набора (сетки) точек (узлов). Так, например, прямоугольная сетка в области D может быть задана в виде (рис. 11.1)

где величина N задает количество внутренних узлов по каждой из координат области D.

Обозначим оцениваемую при подобном дискретном представлении аппроксимацию функции u(x,y) в точках (xi, yj) через uij. Тогда, используя пятиточечный шаблон (см. рис. 11.1) для вычисления значений производных, мы можем представить уравнение Пуассона в конечно-разностной форме

Данное уравнение может быть разрешено относительно uij:

uij=0,25(ui-1,j+ui+1,j+ui,j-1-h2fij).

Разностное уравнение, записанное в подобной форме, позволяет определять значение uij по известным значениям функции u(x,y) в соседних узлах используемого шаблона. Данный результат служит основой для построения различных итерационных схем решения задачи Дирихле, в которых в начале вычислений формируется некоторое приближение для значений uij, а затем эти значения последовательно уточняются в соответствии с приведенным соотношением. Так, например, метод Гаусса – Зейделя для проведения итераций уточнения использует правило

по которому очередное k-е приближение значения uij вычисляется по последнему k-му приближению значений ui-1,j и ui,j-1 и предпоследнему (k-1)-му приближению значений ui+1,j и ui,j+1. Выполнение итераций обычно продолжается до тех пор, пока получаемые в результате итераций изменения значений uij не станут меньше некоторой заданной величины (требуемой точности вычислений). Сходимость описанной процедуры (получение решения с любой желаемой точностью) является предметом всестороннего математического анализа (см., например, [[6], [13], [60]]), здесь же отметим, что последовательность решений, получаемых методом сеток, равномерно сходится к решению задачи Дирихле, а погрешность решения имеет порядок h2.




Содержание  Назад  Вперед