第5章两点边值问题求解方法综述.pptVIP

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航空航天中的计算方法 授课教师:陈琪锋 中南大学航空航天学院 第二部分 边值问题求解方法 第5章 两点边值问题求解方法 2017-4-24 内容提要 5.1 常微分方程边值问题的概念 5.2 打靶法 5.3 有限差分法 5.4 有限元法 [1] Part 3: Two-Point Boundary Value Problems. [2] David L. Darmofal, Computational Methods in Aerospace Engineering (Lecture Notes), MIT, 2005. Chap11,12. [3] 清华大学数学系编,现代应用数学手册•计算方法分册(第十一章,常微分方程边值问题的数值方法),北京出版社,1990. 2017-4-24 5.1 常微分方程边值问题的概念 对于常微分方程: 其中 ,x为标量, y和 f 为m维向量。在 上求解之需要m个定解条件,若定解条件的形式为: 其中 g为m维向量。则该问题称为两点边值问题(TPBVP, Two Point Boundary Value Problem)。 如果边值条件形式可写为: 其中gL和gR的维数之和等于m,则边界条件为分离的。 5.1 常微分方程边值问题的概念 2017-4-24 5.2 打靶法 以二阶系统为例,考虑边值问题: 变换: 考虑初值问题: 初值问题的解为: 找到α满足: 5.2 打靶法 如何求α? 2017-4-24 打靶法的几何解释: 5.2 打靶法 打靶:求解初值问题 2017-4-24 5.1.1 割线法 以两个不同的α值求解初值问题,得到两个解: 根据初值条件知: 假设 是α的线性函数,可取α 为: 迭代求解公式: 结束条件: 5.2 打靶法 2017-4-24 割线法的几何解释: 5.2 打靶法 线性近似:按割线求根 2017-4-24 5.1.2 牛顿法 求解非线性方程(组): 在已知初值α0的处Taylor展开: 线性近似: 迭代求解公式: 结束条件: 5.2 打靶法 2017-4-24 差分法求偏导数 或采用其它数值微分方法。 f 可微时解偏导数微分方程 微分方程对α求偏导: 5.2 打靶法 初值问题,可解! (与割线法等价) 割线代替切线 2017-4-24 每一步迭代求解初值问题 其中: 解得: 得到的终端值和对α的偏导数: 5.2 打靶法 2017-4-24 作业题5: 用牛顿打靶法求解两点边值问题 迭代初始条件取 。 5.2 打靶法 2017-4-24 5.3 有限差分法 以二阶系统为例,边值问题: 有限差分近似 将区间 等分为N个子区间 将 在xi处Taylor展开: 5.3 有限差分法 用差分近似代替微分,将微分方程化为代数方程求解 2017-4-24 若取x=xi+1=x+ih: 忽略二阶以上部分,得一阶导数的前向差分近似: 若取x=xi-1=x-ih: 忽略二阶以上部分,得一阶导数的后向差分近似: 5.3 有限差分法 一阶精度 一阶精度 2017-4-24 xi+1和xi-1在xi处的Taylor展开相减,忽略三阶以上部分,得 一阶导数的中心差分近似: xi+1和xi-1在xi处的Taylor展开相加,忽略四阶以上部分,得 二阶导数中心差分近似: 三阶导数的中心差分近似? 5.3 有限差分法 二阶精度 二阶精度 2017-4-24 xi+1和xi-1在xi处的Taylor展开相减,忽略五阶以上部分: xi+2和xi-2在xi处的Taylor展开相减,忽略五阶以上部分: 三阶导数的中心差分近似: 四阶导数的中心差分近似: 5.3 有限差分法 二阶精度 二阶精度 2017-4-24 有限差分法解微分方程两点边值问题 微分方程 离散化,将区间 等分为N个子区间: 在节点上应用中心差分公式,得到代数方程组: 5.3 有限差分法 2017-4-24 有限差分法解微分方程两点边值问题的几何解释 5.3 有限差分法 离散点:微分用有限差分近似 2017-4-24 例5.1:用有限差分法求解两点边值问题 取离散化区间h=0.1,N=10。 5.3 有限差分法 2017-4-24 线性方程组: 即: 5.3 有限差分法 2017-4-24 5.4 有限元法 以二阶系统为例,考虑边值问题: 5.4.1 投影类方法的基本思想 以一简单函数 近似y(x),给

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