差分格式稳定性实验报告——张方博5090719049
- 格式:doc
- 大小:271.50 KB
- 文档页数:9
对流方程差分格式稳定性判定李五明【摘要】The paper decided the stability of different difference schemes of the one dimension convection equation using Fourier stability analysis. The fundamental idea of Fourier stability analysis is to extend periodically the error of solution for the linear differential equation and express it using Fourier series, then check the enlargement and decay of every component of the Fourier series. According to Fourier series for each component change over time, we judged the stability of difference schemes by the magnification factor. Using the method, the paper decided the stability of different difference schemes for the given equation.%用傅里叶稳定性分析法判断一维对流方程不同差分格式的稳定性.傅里叶稳定性分析法的基本思想是:对于线性微分方程,将解的误差做周期延拓并用傅里叶级数表示出来,然后考察每一个傅里叶级数分量的增大和衰减情况;根据傅里叶级数每一个分量随时间的变化情况,由放大因子判断差分格式的稳定性.用该方法对给定方程不同差分格式的稳定性进行了判断.【期刊名称】《河南理工大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2012(031)003【总页数】4页(P369-372)【关键词】对流方程;差分格式;稳定性【作者】李五明【作者单位】河南理工大学数学与信息科学学院,河南焦作454000【正文语种】中文【中图分类】O175.210 引言用有限差分法数值求解偏微分方程是计算数学中的一个重要课题.在有限差分法中,差商代替了微商,差分方程代替了微分方程.然而,并不是任何情况下,差分方程都可以逼近原微分方程.因为,方程形式的逼近是一回事,方程解的逼近又是一回事.因此,在基本理论上必须解决数值计算中可能出现的诸如稳定性、精度等问题.采用有限差分法求解由偏微分方程所描述的具体问题时,在确定差分离散格式是否可用之前必须解决3个问题:当差分网格的时间与空间步长都趋近于零时,差分方程是否充分逼近原微分方程;差分格式的真解是否充分逼近原微分方程的精确解;差分格式的近似解与真解之间的误差是否有界.这3个问题在有限差分理论中分别称为相容性、收敛性和稳定性.差分格式的相容、收敛和稳定并不是孤立的,而是互有联系.根据LAX等价定理,若线性微分方程的初值问题适定、差分格式相容,则稳定性是收敛性的必要和充分条件.因此,常常通过判定一个差分格式的稳定性来判定其收敛性.因为,直接证明一个差分格式的收敛性是比较困难的,但对稳定性的证明却容易得多,且现有的方法也比较有效.本文介绍其中最常用的一种分析差分格式稳定性的方法:傅里叶稳定性分析法.傅里叶稳定性分析法的基本思想是将解的误差做周期延拓并用傅里叶级数表示出来,然后考察每一个傅里叶级数分量的增大和衰减情况.如果每一个分量的强度(或振幅)是随时间的推移而增大的,则所讨论的差分格式是不稳定的;反之,若每一个分量的振幅是随时间的推移而衰减或保持不变的,则格式是稳定的.为了进行这种分析,可以把某一分量的表达式代入到误差传播方程中,以得出相邻两时间层该分量的振幅比(通常称为放大因子).稳定性的条件要求放大因子的绝对值(或模)小于或等于1.当放大因子等于1时,称为中性稳定.在这种情况下,任何时刻引进的误差都不会衰减或放大.本文主要针对一维对流方程,利用傅里叶稳定性分析方法讨论其不同差分格式的稳定性.1 傅里叶稳定性分析法针对一个具体的方程来考察傅里叶稳定性分析法,然后再将该方法推广到其他差分格式.一维对流方程的初值问题如下:,(1)问题的定解域为x-t的上平面(图1),分别引入平行于x轴和平行于t轴的两族直线,把求解域划分为矩形网格.网格线的交点称为节点,x方向上网格线之间的距离Δx称为空间步长,t方向上网格线之间的距离Δx称为时间步长.这样,两族网格可记为x=xi=iΔx,(i=0,±1,±2,…),t=tn=nΔt,(n=0,1,2,…).网格划定后,就可针对其中的任一节点,如图1中的节点(xi,tn).将函数u在该点记为,tn)=u(iΔx,nΔt).(2)方程(1)的FTCS(Forward Time Central Space)格式为α.(3)将式(3)改写为易于递推计算的差分格式,有,式中:λ为网格比.相应于上式的误差传播方程为,(4)式中:ε为各节点上的误差.如果对ε在正负方向上作周期延拓,即把ε看作是以某一定值为周期的周期函数,则εn,εn+1可以展开为以下的傅里叶级数[5-6]:.于是,,(5),(6)式中:将式(5)和(6)代入式(4)得.(7)式(7)相当于将零展开成傅里叶级数,式中{ }内相当于傅里叶系数,它对于所有的k都等于零,即,(8)令,(9)则式(8)成为(不失一般性,支掉式中的下标记号k)Cn+1=GCn,(10)表示误差从第n层传播到第n+1层时,以傅里叶级数表示的每一误差分量的振幅放大或衰减了G倍.所以,称G为放大因子.傅里叶稳定性分析法就集中在对G 的分析上,如果|G|>1,则误差的振幅随n的增大而增大,差分格式不稳定;如果|G|≤1,则误差的振幅随n的增大而减小或不变,差分格式稳定.应用欧拉公式e±iz=cos z±isin z,将式(9)改写为G=1-iαλsin kΔx,得|G|2=1+α2λ2sin2kΔx.当sin2kΔx≠0时,选取网格比λ总有|G|>1.因此,差分格式(3)是不稳定的.从上例的分析注意到,以傅里叶稳定性分析法判断差分格式稳定性时,是从误差传播方程出发,将计算节点的误差延拓为傅里叶级数,并通过分析式(7)中傅里叶级数任一系数来确定放大因子G,进而确定差分格式的稳定性.对于齐次线性微分方程,由于误差传播方程与其相应的差分方程形式相同,在傅里叶稳定性分析中,只要令,(11)并将它们代入相应的差分格式中,同样可以得到与上例相同的放大因子G的表达式.为方便起见,在以后的傅里叶稳定性分析讨论中将采用式(11)的方式.2 应用举例例1 试讨论一维对流方程(1)的FTCS隐式差分格式的稳定性.解:方程(1)的FTCS隐式差分格式为α,(12)或写为,λ,将式(11)代入上式,有Cn+1eik(xi-Δx)]=Cneikxi,约去公因子eikxi后,得,即,由此得放大因子为,即≤1,所以,式(12)是无条件稳定的.例2 试讨论一维对流方程(1)的格式的稳定性.解:方程(1)的格式为,(13)或,λ,将式(11)代入上式,有,约掉公因子eikxi,得,由此得放大因子为,有|G|2=1.所以,差分格式(13)是无条件稳定的.3 结论(1)本文利用傅里叶稳定性分析法仅讨论一维对流方程不同差分格式稳定性的判断,实际上,该方法对二维对流方程、一(二)维扩散方程、一维对流-扩散方程也是适用的.(2)本文没有给出一维对流方程迎风格式稳定性的判定,主要是因为需要考虑CFL(Courant-Friedrichs-Lewy)条件,并且要对α的正负进行讨论.限于篇幅,略去.(3)傅里叶稳定性分析法只适用于线性微分方程,对于非线性方程差分格式稳定性的判定,目前还没有严格的一般性理论处理.通常的做法是,从非线性方程对应的线性化模型得出的稳定性判定准则出发,对非线性方程差分格式的稳定性进行大致估计,然后在实际计算中采用试算方法将其扩展到非线性问题中去.参考文献:[1] 张国强,吴家鸣.流体力学[M].北京:机械工业出版社,2005.[2] 顾丽珍.求解对流扩散方程的一些高阶差分格式[J].清华大学学报:自然科学版,1996,36(2):9-14.[3] 管秋琴.一类对流扩散方程组的差分格式与稳定性[J].上海电力学院学报,2009,25(2):192-195.[4] 余德浩,汤华中.微分方程数值解法[M].北京:科学出版社,2003.[5] 范德辉,陈辉,王秀凤,等.对流扩散方程差分格式稳定性分析[J].暨南大学学报:自然科学与医学版,2006,27(1):24-29.[6] 阴继翔,李国君,李卫华,等.对流扩散方程不同格式的数值稳定性分析[J].太原理工大学学报:自然科学版,2004,35(2):121-124,133.[7] 马荣,石建省,张翼龙,等.对流-弥散方程显式差分法稳定性分析方法的初探[J].水资源与水工程学报,2010,21(1):132-134.[8] 陆金甫,关治.偏微分方程数值解解法[M].北京:清华大学出版社,2004.[9] 王静,王艳.RICCATI方程有理展开法及其在非线性反应扩散方程中的应用[J].河南理工大学学报:自然科学版,2010,29(5):689-694.[10] 王同科,马明书.二维对流扩散方程的二阶精度特征差分格式[J].工程数学学报,2004,21(5):727-731.。
差分格式稳定性及数值效应比较实验5090719044 张赟F0907102一实验目的:1.以一阶线性双曲线方程为例,使用Matlab工具分析4种差分格式的误差。
2.了解4种差分格式的稳定性二实验问题:对于一阶线性双曲型方程:取a=1,2,4, h=0.1, τ=0.08, 对不同的差分格式(迎风格式,Lax-Friedrichs格式,Lax-Wendroff格式,修正迎风格式)及不同的a值进行迭代计算。
通过将计算结果与精确解来进行比较,来讨论分析差分格式的稳定性。
三实验原理:1.迎风格式:这种格式的基本思想是简单的,就是在双曲型方程中关于空间偏导数用在特征线方向一侧的单边差商来代替,格式如下:运算格式:x-Friedrichs格式:运算格式:x-Wendroff格式:这种格式构造是采用Taylor 级数展开和微分方程本身得到,运算格式:4.修正迎风格式(目标点范围跟踪格式):其中是取整数部分,=。
根据之后的理论分析可以得到这是一个无条件稳定结构。
四四种格式理论分析:通过求差分格式的增长因子G(τ, k),来判定差分格式是否稳定。
1.迎风格式:记,则,得,即。
所以。
则在,满足von Neumann条件,格式稳定。
以下格式用相同方法求解稳定性条件。
x-Friedrichs格式:,在时稳定。
x-Wendroff格式:,在时稳定。
4.修正迎风格式(目标点范围跟踪格式):,其中,的成立条件为。
而恒成立,故格式无条件稳定。
五实验结果:a=1()迎风格式Lax-Friedrichs格式Lax-Wendroff格式修正迎风格式a=2()迎风格式Lax-Friedrichs格式Lax-Wendroff格式修正迎风格式a=4()迎风格式Lax-Friedrichs格式Lax-Wendroff格式修正迎风格式六总结:本次实验,通过4种差分格式求解T=4时的解并与解析解画图比较,可以看出:(1)a=1(aλ=0.8<1)时,迎风格式,Lax-Friedrichs格式,修正迎风格式的计算结果与解析解近似情况较好,而Lax-Wendroff格式则在间断点处出现了波前波,形成双波现象,这符合Lax-Wendroff格式为二阶迭代格式的性质。
研究有限差分格式稳定性的其他方法摘要偏微分方程的求解一直是大家比较关心的一个问题,而有限差分格式则是求解偏微分方程时常用并且有效的一个方法。
因此,研究有限差分格式的性质就显得尤为重要。
在课上我们已经跟着老师学习了运用Fourier方法研究有限差分格式的稳定性,但是在很多研究有限差分格式稳定性的问题中仅仅会用Fourier方法是不够的,所以在本篇论文中,将会介绍其他三种常用的研究有限差分格式稳定性的方法,分别是:Hirt启示型方法、直接方法(或称矩阵方法)和能量不等式方法。
关键字:偏微分方程;有限差分格式;稳定性AbstractThe solution of partial differential equations has been more concerned with a problem, and the finite difference scheme is a mon and effective method for solving partial differential equations. Therefore, it is very important to study the character of the finite difference scheme. We have followed the teacher to learn the use of Fourier method of finite difference scheme stability, but in a lot of research on the stability of finite difference scheme is only used Fourier method is not enough, so in this paper, will introduce the other three kinds of monly used in the study of finite difference scheme stability method, respectively is: Hirt enlightenment method, direct method (or matrix method) and energy inequality method.Key words: partial differential equation; finite difference scheme; stability1 前言微分方程的定解问题就是在满足某些定解条件下求微分方程的解。
文献综述信息与计算科学热传导方程差分格式的收敛性和稳定性在实际研究物理问题过程中, 往往能给出问题相应的数学表达式, 但是由于实际物理问题的复杂性, 它的解却一般不容易求出. 由此计算物理应运而生, 计算物理是以计算机为工具, 应用数学的方法解决物理问题的一门应用性学科, 是物理、数学和计算机三者结合的交叉性学科. 它产生于二战期间美国对核武器的研究, 伴随着计算机的发展而发展.计算物理的目的不仅仅是计算, 而是要通过计算来解释和发现新的物理规律. 这一点它与传统的实验物理和理论物理并无差别, 所不同的只是使用的工具和方法. 计算物理早已与实验物理和理论物理形成三足鼎立之势, 甚至有人提出它将成为现代物理大厦的“栋梁”.在一个物理问题中一个数值解往往比一个式子更直观, 更有价值. 在实际求解方程时, 除了一些特殊的情况下可以方便地求得其精确解外, 在一般情况下, 当方程或定解条件具有比较复杂的形式, 或求解区域具有比较复杂的形状时, 往往求不到, 或不易求到其精确解. 这就需要我们去寻找方程的近似解, 特别是数值近似解, 简称数值解. 这里主要研究的是热传导方程.有限差分法是微分方程和积分微分方程数值解的方法. 其基本思想是把连续的定解区域用有限个离散点构成的网格来代替, 这些离散点称作网格的节点;把连续定解区域上的连续变量的函数用在网格上定义的离散变量函数来近似;把原方程和定解条件中的微商用差商来近似, 积分用积分和来近似, 于是原微分方程和定解条件就近似地代之以代数方程组, 即有限差分方程组, 解此方程组就可以得到原问题在离散点上的近似解. 然后再利用插值方法便可以从离散解得到定解问题在整个区域上的近似解.热传导的差分法是求解热传导方程的重要方法之一. 对于差分格式的的求解, 我们首先要关注差分格式的收敛性和稳定性. 对于一个微分方程建立的各种差分格式, 为了有实用意义, 一个基本要求是它们能够任意逼近微分方程, 即相容性要求. 一个差分格式是否有用, 就要看差分方程的精确解能否任意逼近微分方程的解, 即收敛性的概念. 此外, 还有一个重要的概念必须考虑, 即差分格式的稳定性. 因为差分格式的计算过程是逐层推进的, 在计算第n +1层的近似值时要用到第n 层的近似值 , 直到与初始值有关. 前面各层若有舍入误差, 必然影响到后面各层的值, 如果误差的影响越来越大, 以致差分格式的精确解的面貌完全被掩盖, 这种格式是不稳定的, 相反如果误差的传播是可以控制的, 就认为格式是稳定的. 只有在这种情形, 差分格式在实际计算中的近似解才可能任意逼近差分方程的精确解. 由Lax 等价定理告诉我们, 对于各适定的线性的初值问题, 对相容性的差分逼近来说, 稳定性则是差分方程的解收敛于微分方程的解的充分必要条件. 收敛是差分方程的本质要求, 稳定是差分方程的基本特性, 对于计算的问题来说, 数值稳定性事差分格式必须要具备的条件, 一个不稳定的差分格式, 即使其他方面有很多的优点, 也是不能用来计算的. 可见由于收敛性和稳定性的重要性, 对于他们的研究是非常具有价值的.热传导方程: 2222222.u u u u a t x y z ⎛⎫∂∂∂∂=++ ⎪∂∂∂∂⎝⎭ 一维热传导方程的初边值问题:22200120(0,0),()(0),(),()(0).t x x l u u a x l t t x u x x l u t u t t ϕμμ===⎧∂∂==<<>⎪∂∂⎪⎪ =<<⎨⎪⎪⎪ = =>⎩用, , 及分别表示初边值问题的解及其偏导数及n j u n j u t ∂⎛⎫ ⎪∂⎝⎭22nj u x ⎛⎫∂ ⎪∂⎝⎭(,)u x t (,)u x t t ∂∂在点之值, 表示求解区域内网格节点. 当初边值问题的解在22(,)u x t x ∂∂(,)j n x t (,)j n x t 区域内部适当光滑时, 对任一区域内部的节点利用泰勒展开公式, 然后化简得(,)j n x t 到显示差分格式:1112200220,()()(1,,1),(),()(0,1,2,).n n nn n j j j j j j n n J U U U U U a t x U j x j J U n t U n t n ϕμμ++-⎧--+-=⎪∆∆⎪⎪=∆=⋅⋅⋅-⎨⎪⎪⎪=∆=∆=⋅⋅⋅⎩这里由于差分方程的解与原初边值问题的解一般是不同的, 故用不同的记号表示.U u 明显的用上式近似热传导方程的初边值问题, 所忽略掉的项, 即截断误差是. 记 2()(())O t O x ∆+∆22()t a x λ∆=∆ 其隐式格式: 111110012(12),()(1,,1),(),()(0,1,2,).n n n n j j j j j n n J U U U U U j x j J U n t U n t n λλλϕμμ+++-+⎧-++-=⎪⎪=∆=⋅⋅⋅-⎨⎪=∆=∆=⋅⋅⋅⎪⎩ 其中. 22()t a x λ∆=∆参考文献[1] 谷超豪, 李大潜, 陈恕行等. 数学物理方程[M ]. 北京: 高等教育出版社, 2002.[2] 刘盾. 实用数学物理方程[M ]. 重庆: 重庆大学出版社, 1996.[3] 张锁春. 抛物型方程定解问题的有限差分数值计算[M ]. 北京: 科学出版社, 2010.[4] (美)哈伯曼. 实用偏微分方程[M ]. 北京: 机械工业出版社, 2007.[5] 陆金甫, 关治. 偏微分方程数值解法[M ]. 北京: 清华大学出版社, 2003.[6] K. W. Morton, D. F. Mayers. 偏微分方程数值解[M ]. 北京: 人民邮电出版社, 2006.[7] 戴嘉尊, 邱建贤. 微分方程数值解法[M ]. 南京: 东南大学出版社, 2002.[8] 徐琛梅. 一类非线性偏微分方程差分格式的稳定性分析[J ]. 江西科学, 2008,27(3) :227~230.[9] 张天德, 张希华, 王玮. 偏微分方程差分格式的构造[J]. 山东工业大学学报, 1997,26(2) :245~246.[10] P. Darania and A. Ebadian. A method for the numerical solution of integrodifferentialequations [J]. Applied Mathematics and Computation , 2007, 188(1): 657~668.[11] Yang Zhang. A finite difference method for fractional partial differential equation [J].Journal of Computational and Applied Mathematics, 2009, 215(2):524~529.。
讨论对流程的差分格式的精度及稳定性的认识下载提示:该文档是本店铺精心编制而成的,希望大家下载后,能够帮助大家解决实际问题。
文档下载后可定制修改,请根据实际需要进行调整和使用,谢谢!本店铺为大家提供各种类型的实用资料,如教育随笔、日记赏析、句子摘抄、古诗大全、经典美文、话题作文、工作总结、词语解析、文案摘录、其他资料等等,想了解不同资料格式和写法,敬请关注!Download tips: This document is carefully compiled by this editor. I hope that after you download it, it can help you solve practical problems. The document can be customized and modified after downloading, please adjust and use it according to actual needs, thank you! In addition, this shop provides you with various types of practical materials, such as educational essays, diary appreciation, sentence excerpts, ancient poems, classic articles, topic composition, work summary, word parsing, copy excerpts, other materials and so on, want to know different data formats and writing methods, please pay attention!论文:对流程的差分格式的精度及稳定性探讨引言对流程的差分格式在科学计算领域中起着至关重要的作用。
数值天气预报涡度方程差分格式的守恒性和稳定性的报告,
600字
数值天气预报涡度方程差分格式是一种用来解决时间步长变化与风场变化之间的相互作用的数值解法,它的守恒性和稳定性是保证天气预报获得精确结果的关键。
本文将通过分析不同层次的涡度方程差分格式的守恒性和稳定性来讨论它在数值天气预报中的作用和意义。
首先,对于单层次的涡度方程差分格式,它的守恒性表明所有物理量在边界上完全满足守恒性定理,因此涡度方程差分格式能够保证模拟过程中物理量守恒。
其次,涡度方程差分格式的稳定性表明,所有物理量在空间和时间上的变化都是有限的,保证了模拟的精度不会随着时间的变化而变化,从而保证了模拟的准确性。
此外,多层次的涡度方程差分格式同样具有良好的守恒性和稳定性,即便不同层次的物理量之间存在交互作用,但守恒性和稳定性仍然得到保证。
此外,由于多层次的涡度方程差分格式本身具有较低的计算复杂度,因此可以实现更加精细的模拟。
综上所述,涡度方程差分格式是一种具有良好守恒性和稳定性的数值解法,它能够有效地模拟大气中的涡度,用于数值天气预报时能够发挥重要作用。
因此,在利用涡度方程差分格式进行数值天气预报时,必须首先评估它的守恒性和稳定性,以保证模拟结果的准确性和可靠性。
非定常流体力学中间差分格式稳定性分析研究随着计算机技术的发展,数值模拟已经成为研究非定常流体力学的重要手段。
其中差分法是最常用的一种计算方法。
而中心差分法是差分法中最为常用的方法之一。
在数值计算中,稳定性是非常重要的一个问题。
本文将从非定常流体力学的角度出发,分析中心差分格式的稳定性问题。
一、中心差分法中心差分法是一种最为常用的差分法,其具体计算过程是将计算点的函数值表示为它自身与周围计算点值的线性组合,其中,每个计算点的函数值均采用相同的线性组合模式。
这个模式就是中心差分法的核心。
中心差分法可以用于求解一些常见的偏微分方程,例如泊松方程、热传导方程、对流扩散方程,以及非定常流体力学中的纳维-斯托克斯方程等。
二、非定常流体力学的求解非定常流体力学是流体运动学和动力学的研究,其中:研究的是在时间和空间上变化的流场。
在非定常流体力学中,求解纳维-斯托克斯方程是相当难的。
要解决这一问题,可以采用数值模拟的方法。
由于非定常流体力学的求解过程涉及到高维空间和复杂的数学模型,因此需要具有高性能的计算机和优秀的数值方法。
中心差分法作为一种常见的数值方法,可以用于求解非定常流体力学。
不过,如果不考虑其稳定性问题,这种方法也是会出现一些问题的。
三、中心差分格式的稳定问题在数值计算中,稳定性问题是非常重要的一个问题。
稳定性是指对精度的要求。
一种数值计算方法,如果该方法对初始误差非常敏感,或者计算过程中误差放大得太快,那么这种方法就是不稳定的。
因此,中心差分格式的稳定性问题需要引起我们的关注。
中心差分格式的稳定性取决于流场的不稳定性,并且与形式构成的方程相关。
由于中心差分格式本身是一种稳定的方法,但它的稳定性却取决于数值格式和解的一些特性,如模型方程、网格尺寸等因素。
为了解决中心差分格式的稳定性问题,我们可以采用标量稳定性分析和矩阵稳定性分析两种方法。
通过这两种方法的研究和分析,我们可以更好地了解中心差分格式的稳定性问题,并实现更为精准的求解。
分类号 学号密题 目(中、英文)作者姓名 指导教师 学科门类 提交论文日期专业名称 成绩评定 数学与应用数学 理 学咸阳师范学院2016届本科毕业设计(论文)摘要微分方程是研究数学的一个重要分支,是本科期间我们必须掌握的基本知识,而本文我们研究的是一个递推关系式,也称差分方程。
它是一种离散化的微分方程,是利用描述客观事物的数量关系的一种重要的数学思想来建立模型的。
而利用差分方程建立模型解决问题的方法在生活中随处可见,比如在自由竞争市场经济中的蛛网模型是利用差分方程分析经济何时趋于稳定,又如金融问题中的养老保险也是利用差分方程来分析保险品种的实际投资价值。
而差分方程模型是描述客观世界中随离散时间变量演化规律的有力建模工具。
本文首先给出差分方程的定义以及求解过程并给出判断差分方程稳定性的判断方法,随后以同一环境下的羊群和草群的相互作用为模型分析其种群的数量变化过程,进而研究线性差分方程的稳定性,最后用一个实际模型来更好的说明差分方程的稳定性对解决实际问题有非常大的帮助。
关键字:差分方程;差分方程模型;平衡点;稳定性差分方程模型的稳定性分析AbstractDifference equation is also called recursive equation, it is to describe the relationship between the number of objective things of a kind of important mathematical model. And the use of the differential equation model of the solution can be found everywhere in life. Such as cobweb model in the free market economy is to use the difference equation analysis when the economic stability, and as the financial problem of pension insurance breed difference equation is used to analysis the actual investment value. This paper gives the judge the stability of difference equation to judge method, then in the same group of sheep and grass under the environment of interaction analysis for the model a process, the number of the population change, in turn, study the stability of the linear difference equation. In the end, one practical model to better explain the stability of difference equation.Key words:Difference equation;Difference equation model ; Balance point; Stability咸阳师范学院2016届本科毕业设计(论文)目录摘要 (1)Abstract (II)目录 ................................................................................................................................................ I II 引言 .. (1)1、差分方程的定义及其分类 (1)(1)差分算子: (1)2. 差分方程的求解与稳定性判断方法: (2)(1)差分方程的求解: (2)(2).差分方程的平衡解稳定性判断方法: (4)3. 差分方程模型的应用: (4)3.1模型:种群模型 (4)3.11模型的引入与假设 (4)3.12线性差分方程模型的建立与求解 (5)3.13生态模型的平衡点及稳定性分析: (7)总结 (10)参考文献 (11)附录 (12)谢辞 (13)差分方程模型的稳定性分析咸阳师范学院2016届本科毕业设计(论文)引言随着科学技术的不断发展,将数学思想融入实际生活解决社会问题变得非常普遍。
差分格式稳定性实验报告
张方博 学号:5090719049 班级:F0907102
一、 实验目的
1、 加深对几种差分格式稳定性及其稳定条件的理解;
2、 利用matlab 数值直观上验证差分格式是否稳定性;
二、 实验问题
考察对流方程:
其中() 1 (0),()0(0)f x x f x x =≤=>
给定 0.1 ,=0.08 ,=h/h τλτ=,对a=1,2,4,分别对以下格式求解出t=4时的数值结果,并绘制u(x,4)的函数图像
1111111122111111()
11()()22
11()(2)22
n n n n j j j j n n n n n j j j j j n n n n n n n j j j j j j j n n j j p u u a u u Lax Friedrichs u u u a u u Lax Wendroff u u a u u a u u u u du λλλλ+-++-+-++-+-+--=---=+---=--+-+=+迎风格式(upwind ):
格式:
格式:
修正迎风格式:
[][]2362
(1),10~10n j p
d u p a d a a λλλ--==-这里 三、 实验过程
0,
(0,)()t x u au u x f x +==
用matlab编程,程序附在文档后,绘制图形,分析比较。
四、实验结果
这里只给出绘制的图像如下:
(1)a=1:
upwind
Lax-Friedrich
Lax-Wendroff
Modified Upwind
(2)a=2:
Upwind
Lax-Friedrich
Lax-Wendroff
Moldified Upwind
(3)a=4:
upwind
Lax-Friedrich
Lax-Wendroff
Moldified Upwind
五、分析总结
用Fourier分析法可以知道,upwind格式和Lax-Friedrich格式稳定
aλ=,而Lax-Wendroff格式无条件不稳定,修正后的的条件是0.8
upwind格式无条件稳定。
通过数值分析,验证了上述结果:当a=1时,0.8
aλ=,得到的前两种格式的图像是稳定的,而Lax-Friedrich格式的图像中间有明显的突起,可以预测,当将网格继续细分下去的话,这种突起将会变成剧
τ=0.008模拟如下:
烈的震荡,重新取h=0.01,
继续细分下去,应该可以和预期相符,此时[]
aλ=0,所以修正迎
aλ=,此时只有修正风格式和修正前相同;而当a=2,4时, 1.6,3.2
迎风格式是稳定的,这时观察到其他三种格式的震荡幅度数量级达到
2362
10~10不等,误差非常大,可见格式的稳定性的重要意义所在。
aλ=时,Lax-Friedrich格式的数值解是锯齿实验中还发现,当0.8
状的,与迎风格式的光滑状很不一样,但给不出一个合理的解释。