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第二章有限差分法
第四章 有限差分方法
4.1 引言
有限差分法:数值求解常微分方程或偏微分方程的方法。
物理学和其他学科领域的许多问题在被分析研究之后, 往往可以归结为常微分方程或偏微分方
程的求解问题。一般说来,处理一个特定的物理问题,除了需要知道它满足的数学方程外,还应当同
时知道这个问题的定解条件,然后才能设计出行之有效的计算方法来求解。
有限差分法以变量离散取值后对应的函数值来近似微分方程中独立变量的连续取值。
在有限差分方法中,我们放弃了微分方程中独立变量可以取连续值的特征,而关注独立变量离
散取值后对应的函数值。但是从原则上说,这种方法仍然可以达到任意满意的计算精度。因为方程的
连续数值解可以通过减小独立变量离散取值的间格,或者通过离散点上的函数值插值计算来近似得
到。这种方法是随着计算机的诞生和应用而发展起来的。其计算格式和程序的设计都比较直观和简单,
因而,它的实际应用已经构成了计算数学和计算物理的重要组成部分。
1
有限差分法的具体操作分为两个部分:
(1)用差分代替微分方程中的微分,将连续变化的变量离散化,从而得到差分方程组的数学形式;
(2)求解差分方程组。
在第一步中,我们通过所谓的网络分割法,将函数定义域分成大量相邻而不重合的子区域。通
常采用的是规则的分割方式。这样可以便于计算机自动实现和减少计算的复杂性。网络线划分的交点
称为节点。若与某个节点P相邻的节点都是定义在场域内的节点,则P点称为正则节点;反之,若节
点P有处在定义域外的相邻节点,则P点称为非正则节点。 在第二步中,数值求解的关键就是要应
用适当的计算方法,求得特定问题在所有这些节点上的离散近似值。
有限差分法的差分格式:
一个函数在x点上的一阶和二阶微商,可以近似地用它所临近的两点上的函数值的差分来表示。
如对一个单变量函数f(x),x为定义在区间[a,b]的连续变量。以步长h Δx将[a,b]区间离散化,我
们得到一系列节点x = a , x = x + h , x = x + h = a + 2Δx , ..., x = x + h = b , 然
1 2 1 3 2 n+1 n
后求出 f(x)在这些点上的近似值。显然步长h越小,近似解的精度就越好。与节点 相邻的节点有
x
i
x h − x h +
i 和 i ,因此在xi 点可以构造如下形式的差值:
f ( x h) f ( x ), + −
节点 的一阶向前差分
i i xi
f (x ) f (x h ), − − 节点 的一阶向后差分
i i
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