四高精度差分格式及其数值解的逼近程度分析.ppt
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四点差分格式
四点差分格式(Four Point Difference Formulation)是一种数值计算方法,用于求解偏微分方程。
该方法主要应用于有限差分法中,通过在求解域上离散化偏微分方程,将其转化为代数方程组进行求解。
四点差分格式通常采用四个网格点的值来逼近偏微分方程中的导数项,通过这种方式可以将偏微分方程离散化为代数方程组。
具体来说,对于一个偏微分方程中的导数项,我们可以用四个网格点的值来表示该导数项的逼近值。
这四个网格点通常包括当前点、前一点、后一点和下一点,形成一个矩形区域。
通过选取适当的权值,我们可以将这四个网格点的值组合起来,得到导数项的逼近值。
四点差分格式的优点是简单易懂,易于编程实现。
同时,由于该方法只涉及到四个网格点的值,因此计算量相对较小,适用于大规模的数值计算问题。
但是,四点差分格式也存在一些缺点,例如对于复杂边界条件和不规则求解域的处理不够灵活,可能会引入较大的数值误差等。
在实际应用中,需要根据具体的问题和要求选择合适的差分格式和离散化方法。
同时,还需要对离散化后的代数方程组进行适当的处理和优化,以提高计算效率和精度。
第一章 绪论逼近的目的,就是用简单的函数来逼近复杂的函数,数值逼近各种方法求得的数学问题的解,只是其一个近似解,与准确解之间存在着误差。
误差来源模型误差:忽略许多次要因素,把模型“简单化”、“理想化”;观测误差:受工具、方法、观测者的主观因素、不可预料的随机干扰等影响; 截断误差:模型难于直接求解,其近似解与精确解之间的误差; 舍入误差:运算过程中,初始参数与中间结果都必须进行四舍五入。
例1 求 x e 时,可将x e 展开为级数形式:在实际计算时,我们只取前面有限项(例如n 项)计算部分和 ()n S x 作为xe 的值必然产生误差,其误差为:1()(1)!n n e R x x n ξ+=+这个误差就是“截断误差”。
误差来源分析在本课程中,不分析模型误差;观测误差作为初始舍入误差;截断误差是主要讨论对象,是计算中误差的主要部分。
在各种算法中,通过数学方法可推导出截断误差限的公式;舍入误差产生往往有很大的随机性,讨论比较困难,在问题本身呈现病态或不稳定时,它可能成为计算中误差的主要部分。
误差分析是一门专门的学科,经过训练的计算工作者,当发现计算结果与实际不符时,应当能找出误差的来源,并采取相应的措施加以改进,甚至对模型进行修改。
误差的相关概念误差、误差限、有效数字相对误差限及与有效数字的联系 四则运算结果的误差限在近似计算中应该注意的事项 误差的概念定义1.1 设 x 为准确值,*x 为x 的一个近似值,称x x -*为 x 近似值的绝对误差,简称误差。
注: ①误差是有量纲的量 ,它可正可负② 绝对误差为正时,近似值偏大,叫强近似值 ③ 绝对误差为负时,近似值偏小,叫弱近似值 绝对误差限212!!n xx x e x n =+++++2()12!!nn x x S x x n =++++通常我们并不知道准确值 x ,也不能算出误差的准确值,但能根据测量工具或计算情况相对误差估计出误差的绝对值的上限,这个上限称为近似值*x 的误差限,记为ε。
四阶差分格式
u:+a4x=0
(1)其中u是以速度a传播的纯量,a是正实数我们知道,对该方程进行空间离散后,可以得到一个常微分方程组(Odes):=f(u,)Dot
再选择适当的时间离散格式,就可得到方程(1)的数值解为此,对所定义的空间区域进行一致网格剖分,设h为网格剖分步长,x=h,=u(x),为了近似计算空间变量的一阶导数,使其具有四阶精度,我们用待定系数法设
(△4)y=4h(4y+22)+2h(4+1-4-1)
其中(△w),表示对在结点x,处的近似将式中u及△u各项在w点做Taylor展开,合并后比较对应项系数,有:m1=4,m2=·1书,于是对空间变量我们得到了一个简单的四阶中心差分格式:=品1)
(2)12h(u j+2-42)再用蛙跳方法对离散得到方程()的全离散格式
(3)其中c=a k万是CFL条件数,k是时间剖分步长对问题(P):,+aux=0,(x,t)∈0,1X0,T]u(x,0)=sim(2Π),x∈0,1
(4)period i c boundary value condition,t∈0,T]。
差分格式收敛性分析相容性概念:相容性(consistency):当有限差分网格变小时,截断误差趋于0。
经典显示差分格式:h→,k →截断误差→经典显式差分无条件相容DuFort-Frankel差分格式截断误差条件相容。
绝大多数差分格式为无条件相容!稳定性(stability):计算所得解的全部扰动有界。
条件稳定/无条件稳定数值分析的稳定性概念与偏微分方程无关,它关心的是在求解有限差分方程时由于进行算术运算而产生误差的不稳定增长或稳定衰减问题。
Lax等价定理:对一个适定的定解问题,若给出的差分格式是相容的,则该差分格式收敛的充分必要条件是该差分格式稳定。
算法稳定性是最重要的问题,精度排在其后,只有在稳定的情况下再追求精度。
(1)显式差分为例:误差的传播过程图:(2) Richardson 显式差分来自<https:///wiki/Von_Neumann_stability_analysis >要点:a 误差满足同样的方程b 误差函数的分解(傅里叶分解+分离变量法)Von Neumann stability analysis -稳定性分析Von Neumann条件稳定分析过程两边同除以得到:经典显式差分稳定性条件:Richardson显式差分O(Δ)结论:Richardson显式差分格式无条件不稳定,即使精度高也无用处%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%隐式差分结论:无条件稳定Crank-Nicolson隐式差分结论:无条件稳定加权隐式差分向量函数稳定性:增长矩阵方法增长矩阵可以得到要求矩阵特征值满足。