Вычислительная математика. Ч. 2. Асламова В.С - 34 стр.

UptoLike

67
мой области. Значения производных, начальные и граничные условия выра-
жаются через значения искомой функции в узлах сетки. В результате чего
получается система алгебраических уравнений, называемая разностной схе-
мой. Решая систему уравнений, можно найти в узлах сетки значения сеточной
функции, которые приблизительно считаются равными значениям искомой
функции.
3.1. Построение разностных схем
Пусть задана прямоугольная область G с границей Г, которая определена
следующим образом: G={x, y:
bxa
;
dyc
}, (рис. 18).
При этом h может не быть равным
τ
. Стороны прямоугольника делятся на
элементарные отрезки:
x
i
=a+i
.
h ,(i=0,1,…,n);
y
j
=c+j
.
τ
, (j=0,1,…,m).
Через эти точки проводятся два семейства прямых x=const и y=const, ко-
торые образуют сетку с прямоугольной ячейкой. Каждый узел сетки (i, j) оп-
ределяется координатами (x
i
, y
j
).
Аналогично можно ввести сетки для многомерных областей, которые со-
держат более двух измерений.
На рис. 19 показан элемент сетки в виде прямоугольного параллелепипеда
для трёхмерной области.
Г
d
c
ab
}h2
}
(i, j)
τ
h
Рис. 18. Прямоугольная сетка
х
y
68
Иногда граничные точки области сложной формы не являются узлами
сетки. В этом случае либо вводятся дополнительные узлы на пересечении
координатных линий с границей, либо границу приближённо заменяют лома-
ной, проходящей через ближайшие к границе узлы. И на эту ломаную пере-
носятся граничные условия.
Иногда сложные криволинейные области с помощью перехода к не
зави-
симым переменным удаётся свести к простейшему виду.
Например, криволинейную область G можно привести к единичному
квадрату G’ с помощью введения новых переменных
η
ξ
,
вместо x, y (рис.
20) с помощью соотношений:
)()(
)(
12
1
yy
yx
ϕϕ
ϕ
ξ
=
,
10
ξ
,
)()(
)(
12
1
xx
xy
ψψ
ψ
η
=
,
10
η
.
Рис. 20. Преобразование криволинейной области
y
x
G
y =
ψ
1
(x)
y =
ψ
2
(x)
x =
ϕ
1
(y)
x =
ϕ
2
(y)
1
η
ξ
0
G
1
i, j, k+1
i+1, j, k
x
t
y
i, j, k
i+1, j+1, k
Рис.19. Элемент трехмерной сетки
                                                                                                     t
мой области. Значения производных, начальные и граничные условия выра-
жаются через значения искомой функции в узлах сетки. В результате чего
получается система алгебраических уравнений, называемая разностной схе-                       i, j, k+1
мой. Решая систему уравнений, можно найти в узлах сетки значения сеточной                                                    y
функции, которые приблизительно считаются равными значениям искомой
функции.                                                                                                                                     i+1, j+1, k

                    3.1. Построение разностных схем
                                                                                                    i, j, k                  i+1, j, k          x
   Пусть задана прямоугольная область G с границей Г, которая определена                         Рис.19. Элемент трехмерной сетки
следующим образом: G={x, y: a ≤ x ≤ b ; c ≤ y ≤ d }, (рис. 18).                 Иногда граничные точки области сложной формы не являются узлами
                                                                             сетки. В этом случае либо вводятся дополнительные узлы на пересечении
                                                                             координатных линий с границей, либо границу приближённо заменяют лома-
            y
                                                                             ной, проходящей через ближайшие к границе узлы. И на эту ломаную пере-
                                Г                                            носятся граничные условия.
                       d
                                                                                Иногда сложные криволинейные области с помощью перехода к незави-
                                                          τ
                                                         }h2                 симым переменным удаётся свести к простейшему виду.
                                        (i, j)
                                                                                Например, криволинейную область G можно привести к единичному
                                                                             квадрату G’ с помощью введения новых переменных ξ , η вместо x, y (рис.
                                                                             20) с помощью соотношений:
                        c                                                                            x − ϕ1 ( y )
                                                                                               ξ=                                 ,             0 ≤ ξ ≤ 1,
                            a                        b                                            ϕ 2 ( y) − ϕ1 ( y)
                                    }




                                                 х
                                    h                                                                        y −ψ1 (x)
                     Рис. 18. Прямоугольная сетка                                                   η=                            ,              0 ≤ η ≤ 1.
                                                                                                          ψ 2 (x) −ψ1 (x)
   При этом h может не быть равным τ. Стороны прямоугольника делятся на
элементарные отрезки:                                                                                                                 η
                                                                             y
                              xi=a+i .h ,(i=0,1, ,n);
                                                                                               y =ψ2(x)
                             yj=c+j .τ , (j=0,1, ,m).
   Через эти точки проводятся два семейства прямых x=const и y=const, ко-
                                                                                                                                      1




                                                                                                                  x =ϕ2(y)
                                                                                   x =ϕ1(y)
торые образуют сетку с прямоугольной ячейкой. Каждый узел сетки (i, j) оп-
ределяется координатами (xi, yj).                                                                   G
   Аналогично можно ввести сетки для многомерных областей, которые со-                                                                              G’
держат более двух измерений.
   На рис. 19 показан элемент сетки в виде прямоугольного параллелепипеда                       y =ψ1(x)
для трёхмерной области.                                                                                                                  0
                                                                                                                              x                               1   ξ
                                                                                              Рис. 20. Преобразование криволинейной области
                                                                       67    68