WikiDer > Линейный многоступенчатый метод

Linear multistep method

Линейные многоступенчатые методы используются для численное решение обыкновенных дифференциальных уравнений. По сути, численный метод начинается с начальной точки, а затем занимает короткое время. шаг вперед во времени, чтобы найти следующую точку решения. Процесс продолжается с последующими шагами, чтобы наметить решение. Одношаговые методы (например, Метод Эйлера) относятся только к одной предыдущей точке и ее производной для определения текущего значения. Такие методы как Рунге-Кутта сделайте некоторые промежуточные шаги (например, полушага) для получения метода более высокого порядка, но затем отбросьте всю предыдущую информацию, прежде чем делать второй шаг. Многоступенчатые методы пытаются повысить эффективность, сохраняя и используя информацию из предыдущих шагов, а не отбрасывая ее. Следовательно, многоступенчатые методы относятся к нескольким предыдущим точкам и производным значениям. В случае линейный многоступенчатые методы, a линейная комбинация предыдущих точек и значений производной.

Определения

Численные методы для обыкновенных дифференциальных уравнений приближают решения проблемы начального значения формы

Результатом являются приближения для значения в дискретное время :

куда шаг по времени (иногда называемый ) и целое число.

Многоступенчатые методы используют информацию из предыдущего шаги для вычисления следующего значения. В частности, линейный многоступенчатый метод использует линейную комбинацию и рассчитать стоимость для желаемого текущего шага. Таким образом, линейный многоступенчатый метод - это метод вида

с . Коэффициенты и определить метод. Разработчик метода выбирает коэффициенты, уравновешивая необходимость получить хорошее приближение к истинному решению и желание получить метод, который легко применить. Часто многие коэффициенты равны нулю для упрощения метода.

Можно различить явные и неявные методы. Если , то метод называется "явным", поскольку формула может напрямую вычислять . Если то метод называется "неявным", так как значение зависит от стоимости , и уравнение необходимо решить относительно . Итерационные методы Такие как Метод Ньютона часто используются для решения неявной формулы.

Иногда явный многоступенчатый метод используется для «предсказания» значения . Затем это значение используется в неявной формуле для «исправления» значения. В результате метод предиктора – корректора.

Примеры

Рассмотрим для примера задачу

Точное решение .

Одношаговый Эйлер

Простым численным методом является метод Эйлера:

Метод Эйлера можно рассматривать как явный многоступенчатый метод для вырожденного случая одного шага.

Этот метод, применяемый с размером шага по проблеме , дает следующие результаты:

Двухступенчатый Адамс – Башфорт

Метод Эйлера - это одношаговый метод. Простым многоступенчатым методом является двухэтапный метод Адамса – Башфорта.

Этот метод требует двух значений, и , чтобы вычислить следующее значение, . Однако проблема начального значения предоставляет только одно значение, . Один из способов решить эту проблему - использовать вычисляется методом Эйлера как второе значение. При таком выборе метод Адамса – Башфорта дает (с округлением до четырех цифр):

Точное решение при является , поэтому двухэтапный метод Адамса – Башфорта более точен, чем метод Эйлера. Это всегда так, если размер шага достаточно мал.

Семейства многошаговых методов

Обычно используются три семейства линейных многоступенчатых методов: методы Адамса – Башфорта, методы Адамса – Моултона и методы. формулы обратного дифференцирования (BDF).

Методы Адамса – Башфорта

Методы Адамса – Башфорта являются явными. Коэффициенты равны и , в то время как выбираются таким образом, чтобы методы имели порядок s (это однозначно определяет методы).

Методы Адамса – Башфорта с s = 1, 2, 3, 4, 5 равны (Хайрер, Норсетт и Ваннер, 1993 г., §III.1; Мясник 2003, п. 103):

Коэффициенты можно определить следующим образом. Использовать полиномиальная интерполяция найти многочлен п степени такой, что

В Формула Лагранжа для полиномиальной интерполяции дает

Полином п является локально хорошим приближением правой части дифференциального уравнения которое необходимо решить, поэтому рассмотрим уравнение вместо. Это уравнение можно решить точно; решение - это просто интеграл от п. Это предлагает взять

Метод Адамса – Башфорта возникает, когда формула для п заменяется. Коэффициенты оказывается дано

Замена своим интерполянтом п влечет ошибку порядка часs, и отсюда следует, что s-step Метод Адамса – Башфорта действительно имеет порядок s (Изерлес 1996, §2.1)

Методы Адамса-Башфорта были разработаны Джон Коуч Адамс решать моделирование дифференциального уравнения капиллярное действие из-за Фрэнсис Башфорт. Башфорт (1883) опубликовал свою теорию и численный метод Адамса (Голдстайн 1977).

Методы Адамса – Моултона

Методы Адамса – Моултона похожи на методы Адамса – Башфорта в том, что они также имеют и . Опять же б коэффициенты выбираются так, чтобы получить максимально возможный порядок. Однако методы Адамса – Моултона неявные. Убрав ограничение, что , s-шаговый метод Адамса – Моултона может достигать порядка , а s-step Методы Адамса – Башфорта имеют только порядок s.

Методы Адамса – Моултона с s = 0, 1, 2, 3, 4 равны (Хайрер, Норсетт и Ваннер, 1993 г., §III.1; Quarteroni, Sacco & Saleri 2000):

Это обратный метод Эйлера
Это трапеция

Вывод методов Адамса – Моултона аналогичен выводу метода Адамса – Башфорта; однако интерполирующий полином использует не только точки , как указано выше, но также . Коэффициенты даются как

Методы Адамса – Моултона возникают исключительно благодаря Джон Коуч Адамс, как и методы Адамса – Башфорта. Имя Форест Рэй Моултон стал ассоциироваться с этими методами, потому что он понял, что их можно использовать в тандеме с методами Адамса – Башфорта в качестве предсказатель-корректор пара (Моултон 1926); Милн (1926) была такая же идея. Адамс использовал Метод Ньютона для решения неявного уравнения (Хайрер, Норсетт и Ваннер, 1993 г., §III.1).

Формулы обратного дифференцирования (BDF)

Методы BDF - это неявные методы с а остальные коэффициенты выбираются так, чтобы метод достигал порядка s (максимально возможное). Эти методы особенно используются для решения жесткие дифференциальные уравнения.

Анализ

Центральными концепциями анализа линейных многоступенчатых методов и любого численного метода для дифференциальных уравнений являются следующие: конвергенция, порядок и стабильность.

Последовательность и порядок

Первый вопрос заключается в том, является ли метод непротиворечивым: является ли разностное уравнение

хорошее приближение дифференциального уравнения ? Точнее, многоступенчатый метод - это последовательный если локальная ошибка усечения стремится к нулю быстрее, чем размер шага час в качестве час стремится к нулю, где локальная ошибка усечения определяется как разница между результатом метода, предполагая, что все предыдущие значения точны, а точное решение уравнения в момент времени . Вычисление с использованием Серия Тейлор показывает, что линейный многоступенчатый метод непротиворечив тогда и только тогда, когда

Все упомянутые выше методы последовательны (Хайрер, Норсетт и Ваннер, 1993 г., §III.2).

Если метод согласован, то следующий вопрос заключается в том, насколько хорошо разностное уравнение, определяющее численный метод, аппроксимирует дифференциальное уравнение. Говорят, что многоступенчатый метод имеет порядок п если локальная ошибка в порядке в качестве час уходит в ноль. Это эквивалентно следующему условию на коэффициенты методов:

В s-step Метод Адамса – Башфорта имеет порядок s, в то время как s-шаговый метод Адамса – Моултона имеет порядок (Хайрер, Норсетт и Ваннер, 1993 г., §III.2).

Эти условия часто формулируются с использованием характеристические многочлены

В терминах этих многочленов указанное выше условие того, что метод имеет порядок п становится

В частности, метод является непротиворечивым, если он имеет порядок хотя бы один, что имеет место, если и .

Стабильность и конвергенция

Численное решение одношагового метода зависит от начального условия , но численное решение s-шаговый метод зависит от всех s начальные значения, . Таким образом, представляет интерес, является ли численное решение устойчивым по отношению к возмущениям в начальных значениях. Линейный многоступенчатый метод нулевой стабильный для определенного дифференциального уравнения на данном временном интервале, если возмущение в начальных значениях размера ε приводит к тому, что численное решение за этот временной интервал изменится не более чем на Kε для некоторого значения K которое не зависит от размера шага час. Это называется «нулевой устойчивостью», потому что достаточно проверить условие для дифференциального уравнения (Сюли и Майерс 2003, п. 332).

Если все корни характеристического многочлена ρ имеют модуль меньше или равный 1, а корни модуля 1 имеют кратность 1, мы говорим, что корневое состояние доволен. Линейный многоступенчатый метод устойчив к нулю тогда и только тогда, когда выполняется корневое условие (Сюли и Майерс 2003, п. 335).

Теперь предположим, что последовательный линейный многоступенчатый метод применяется к достаточно гладкому дифференциальному уравнению и что начальные значения все сходятся к начальному значению в качестве . Тогда численное решение сходится к точному как тогда и только тогда, когда метод устойчив к нулю. Этот результат известен как Теорема об эквивалентности Далквиста, названный в честь Germund Dahlquist; эта теорема по духу аналогична Теорема эквивалентности Лакса за методы конечных разностей. Кроме того, если метод имеет порядок п, то глобальная ошибка (разница между численным решением и точным решением в фиксированный момент времени) составляет (Сюли и Майерс 2003, п. 340).

Кроме того, если метод конвергентный, метод называется сильно стабильный если является единственным корнем модуля 1. Если он сходится и все корни модуля 1 не повторяются, но существует более одного такого корня, он называется относительно стабильный. Обратите внимание, что 1 должен быть корнем, чтобы метод был сходимым; таким образом, конвергентные методы всегда являются одним из этих двух.

Оценить эффективность линейных многоступенчатых методов на жесткие уравнения, рассмотрим линейное тестовое уравнение y ' = λу. К этому дифференциальному уравнению применен многоступенчатый метод с размером шага час дает линейный отношение повторения с характеристическим полиномом

Этот многочлен называется полином устойчивости многоступенчатого метода. Если все его корни имеют модуль меньше единицы, то численное решение многоступенчатого метода будет сходиться к нулю, а многоступенчатый метод называется абсолютно стабильный для этой стоимости часλ. Этот метод называется А-стабильный если абсолютно стабильно для всех часλ с отрицательной действительной частью. В область абсолютной стабильности это набор всех часλ, для которых многоступенчатый метод абсолютно устойчив (Сюли и Майерс 2003, стр. 347 и 348). Подробнее см. В разделе жесткие уравнения и многошаговые методы.

Пример

Рассмотрим трехшаговый метод Адамса – Башфорта.

Таким образом, один характеристический полином равен

который имеет корни , и указанные выше условия выполнены. В качестве является единственным корнем модуля 1, метод сильно устойчив.

Другой характеристический полином

Первый и второй барьеры Далквиста

Эти два результата были доказаны Germund Dahlquist и представляют собой важную оценку порядка сходимости и А-стабильность линейного многоступенчатого метода. Первый барьер Далквиста был доказан в Дальквист (1956) а второй в Дальквист (1963).

Первый барьер Далквиста

Нуль-стабильный и линейный q-шаговый многоступенчатый метод не может достичь порядка сходимости выше, чем q +1, если q нечетное и больше, чем q + 2, если q даже. Если метод также явный, то он не может достичь порядка выше, чем q (Хайрер, Норсетт и Ваннер, 1993 г., Thm III.3.5).

Второй барьер Далквиста

Нет явных А-стабильный и линейные многоступенчатые методы. Неявные имеют порядок сходимости не выше 2. трапеция имеет наименьшую константу ошибки среди A-устойчивых линейных многоступенчатых методов порядка 2.

Смотрите также

Рекомендации

  • Башфорт, Фрэнсис (1883), Попытка проверить теории капиллярного действия путем сравнения теоретической и измеренной формы капель жидкости. С объяснением метода интегрирования, использованного при построении таблиц, которые дают теоретические формы таких капель, Дж. К. Адамс, Кембридж.
  • Мясник, Джон С. (2003), Численные методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений., Джон Вили, ISBN 978-0-471-96758-3.
  • Дальквист, Гермунд (1956), «Сходимость и устойчивость при численном интегрировании обыкновенных дифференциальных уравнений», Mathematica Scandinavica, 4: 33--53.
  • Дальквист, Гермунд (1963), «Специальная задача устойчивости для линейных многоступенчатых методов» (PDF), КУСОЧЕК, 3: 27–43, Дои:10.1007 / BF01963532, ISSN 0006-3835.
  • Голдстайн, Герман Х. (1977), История численного анализа с 16 по 19 век, Нью-Йорк: Springer-Verlag, ISBN 978-0-387-90277-7.
  • Хайрер, Эрнст; Норсетт, Сиверт Пол; Ваннер, Герхард (1993), Решение обыкновенных дифференциальных уравнений I: нежесткие задачи (2-е изд.), Берлин: Springer Verlag, ISBN 978-3-540-56670-0.
  • Хайрер, Эрнст; Ваннер, Герхард (1996), Решение обыкновенных дифференциальных уравнений II: жесткие и дифференциально-алгебраические задачи (2-е изд.), Берлин, Нью-Йорк: Springer-Verlag, ISBN 978-3-540-60452-5.
  • Изерлес, Арье (1996), Первый курс численного анализа дифференциальных уравнений, Издательство Кембриджского университета, ISBN 978-0-521-55655-2.
  • Милн, У. Э. (1926), "Численное интегрирование обыкновенных дифференциальных уравнений", Американский математический ежемесячный журнал, Математическая ассоциация Америки, 33 (9): 455–460, Дои:10.2307/2299609, JSTOR 2299609.
  • Моултон, Форест Р. (1926), Новые методы внешней баллистики, University of Chicago Press.
  • Quarteroni, Alfio; Сакко, Риккардо; Салери, Фаусто (2000), Matematica Numerica, Springer Verlag, ISBN 978-88-470-0077-3.
  • Сули, Эндре; Майерс, Дэвид (2003), Введение в численный анализ, Издательство Кембриджского университета, ISBN 0-521-00794-1.

внешняя ссылка