Страница
3
,
определённого на множестве непрерывных в области функций, имеющих ограниченные производные до третьего порядка включительно. Пусть
- равномерная сетка на отрезке
. Тогда наиболее естественный способ замены производной основывается на определении производной как предела
.
Если зафиксировать в этом равенстве, то получим приближённую формулу для первой производной через конечные разности
.
Или в - м узле имеем правое разностное отношение
. (1)
Аналогично вводится левое разностное отношение
. (2)
Можно рассматривать и линейную комбинацию левого и правого разностных отношений
, (3)
где - любое вещественное число. При
получим центральное разностное отношение
. (4)
При замене оператора разностными выражениями (1) – (4) допускается погрешность
, называемая погрешностью аппроксимации оператора
разностными оператором
в точке
.
Разностный оператор аппроксимирует дифференциальный оператор
с порядком
в точке
, если
Факт аппроксимации в точке называют часто локальной аппроксимацией.
При решении задач теплопроводности необходимо уметь аппроксимировать и вторую производную
.
В отличие от первой производной, для аппроксимации которой достаточно двухточечного шаблона, для второй производной выберем трёх точечный шаблон . Тогда в
- м узле получим разностный оператор
.
Пользуясь разложением в ряд Тейлора функции , получим, что порядок аппроксимации в этом случае равен двум.
В соответствии с этим можно рассмотреть две различные аппроксимации оператора в области
(5)
; (6)
(7)
на шаблонах. Погрешность локальной аппроксимации оператора (5) разностными операторами (6) и (7) будет соответственно равна
.
Разностная схема называется явной (а) если в каждом уравнении системы содержится только одно значение функции на следующем слое. Это значение явно выражено через известные значения функции на данном слое.
Разностная схема называется неявной (б) если в каждом уравнении системы содержится несколько неизвестных значений функции на новом слое.
Метод прогонки.
Системе уравнений для определения разностного решения на - слое решается обычно методом прогонки. Рассмотрим метод прогонки на примере решения краевой задачи
,
,
, (8)
,
,
(9) .
Неявная разностная схема может быть представлена в виде:
; (10)
;
;
(11)
. (12)
При заданном начальном условии (12) для нахождения решения разностной схемы (10) – (12) на следующем слое нужно решить систему трёх точечных разностных уравнений (10) при граничном условии (11) и фиксированном значении параметра
.
Специфика системы уравнений (10) заключается в том, что каждое -е уравнение содержит только три неизвестных:
. Это и даёт возможность провести последовательное исключение
следующим образом. Значение
задано граничным условием (11). Поэтому уравнение (10) при
содержит фактически лишь два неизвестных
и
. С помощью этого уравнения, при
, исключаем
и получаем соотношение между
и
и т. д. Пусть связь между
и
известна: