МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ Р.Ф.

КУРГАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра прикладной и высшей математики

Лабораторная работа № 43

на тему:

Решение смешанной задачи для уравнения гиперболического типа методом сеток

Группа М-2136

Выполнил студент _______________________

Проверил преподаватель Воронова Лилия Ивановна

Курган 1998

Рассмотрим смешанную задачу для волнового уравнения ( (
2 u/ ( t2) = c 2 * ( ( 2u/ ( x2) (1). Задача состоит в отыскании функции u(x,t) удовлетворяющей данному уравнению при 0 < x

Так как замена переменных t ( ct приводит уравнение (1) к виду ( (
2 u/ ( t2) = ( ( 2u/ ( x2), то в дальнейшем будем считать с = 1.

Для построения разностной схемы решения задачи строим в области D =
{(x,t) | 0 ( x ( a, 0 ( t ( T } сетку xi = ih, i=0,1 ... n , a = h * n, tj = j* ((( , j = 0,1 ... , m, ( m = T и аппроксимируем уравнение (1) в каждом внутреннем узле сетки на шаблоне типа “крест”.

t

T

j+1 j

j-1

0 i-1 i i+1

Используя для аппроксимации частных производных центральные разностные производные, получаем следующую разностную аппроксимацию уравнения (1) .

ui,j+1 - 2uij + ui,j-1 ui+1,,j - 2uij + ui-1, j

( 2 h2

(4)

Здесь uij - приближенное значение функции u(x,t) в узле (xi,tj).

Полагая, что ( = ( / h , получаем трехслойную разностную схему ui,j+1 = 2(1- ( 2 )ui,j + ( 2 (ui+1,j- ui-1,j) - ui,j-1 , i = 1,2
... n. (5)

Для простоты в данной лабораторной работе заданы нулевые граничные условия, т.е. ( 1(t) ( 0, ( 2(t) ( 0. Значит, в схеме (5) u0,j= 0, unj=0 для всех j. Схема (5) называется трехслойной на трех временных слоях с номерами j-1, j , j+1. Схема (5) явная, т.е. позволяет в явном виде выразить ui,j через значения u с предыдущих двух слоев.

Численное решение задачи состоит в вычислении приближенных значений ui,j решения u(x,t) в узлах (xi,tj) при i =1, ... n, j=1,2, ... ,m .
Алгоритм решения основан на том, что решение на каждом следующем слое ( j =
2,3,4, ... n) можно получить пересчетом решений с двух предыдущих слоев ( j=0,1,2, ... , n-1) по формуле (5). На нулевом временном слое (j=0) решение известно из начального условия ui0 = f(xi).

Для вычисления решения на первом слое (j=1) в данной лабораторной работе принят простейший способ, состоящий в том, что если положить ( u(x,0)/ ( t ( ( u( x, ( ) - u(x,0) )/ ( (6) , то ui1=ui0+ + (
(xi), i=1,2, ... n. Теперь для вычисления решений на следующих слоях можно применять формулу (5). Решение на каждом следующем слое получается пересчетом решений с двух предыдущих слоев по формуле (5).

Описанная выше схема аппроксимирует задачу с точностью до О( ( +h2).
Невысокий порядок аппроксимации по ( объясняется использованием слишком грубой аппроксимации для производной по е в формуле (6).

Схема устойчива, если выполнено условие Куранта ( < h. Это означает, что малые погрешности, возникающие, например, при вычислении решения на первом слое, не будут неограниченно возрастать при переходе к каждому новому временному слою. При выполнении условий Куранта схема обладает равномерной сходимостью, т.е. при h ( 0 решение разностной задачи равномерно стремится к регшению исходной смешанной задачи.

Недостаток схемы в том, что как только выбраная величина шага сетки h в направлении x , появляется ограничение на величину шага ( по переменной t . Если необходимо произвести вычисление для большого значения величины T , то может потребоваться большое количество шагов по переменной t. Указанный гнедостаток характерен для всех явных разностных схем.

Для оценки погрешности решения обычно прибегают к методам сгущения сетки.

Для решения смешанной задачи для волнового уравнения по явной разностной схеме (5) предназначена часть программы, обозначенная Subroutine
GIP3 Begn ... End . Данная подпрограмма вычисляет решение на каждом слое по значениям решения с двух предыдущих слоев.

Входные параметры : hx - шаг сетки h по переменной х; ht - шаг сетки ( по переменной t; k - количество узлов сетки по x, a = hn; u1 - массив из k действительных чисел, содержащий значение решений на
( j - 1 ) временном слое, j = 1, 2, ... ; u2 - массив из n действительных чисел, содержащий значение решений на j - м временном слое, j = 1, 2, ... ; u3 - рабочий массив из k действительных чисел.

Выходные параметры : u1 - массив из n действительных чисел, содержащий значение решения из j - м временном слое, j = 1, 2, ... ; u2 - массив из n действительных чисел, содержащий значение решения из
( j +1) - м временном слое, j = 1, 2, ... .

К части программы, обозначенной как Subroutine GIP3 Begin ... End происходит циклическое обращение, пеоред первым обращением к программе элементам массива u2 присваиваются начальные значения, а элементам массива u1 - значения на решения на первом слое, вычислинные по формулам (6). При выходе из подпрограммы GIP3 в массиве u2 находится значение решения на новом временном слое, а в массиве u1 - значение решения на предыдущем слое.

Порядок работы программы:

1) описание массивов u1, u2, u3;

2) присвоение фактических значений параметрам n, hx, ht, облюдая условие Куранта;

3) присвоение начального значения решения элементам массива и вычисленное по формулам (6) значение решения на первом слое;

4) обращение к GIP3 в цикле k-1 раз, если требуется найти решение на k- м слое ( k ( 2 ).

Пример:

1

0.5 0.5

Решить задачу о колебании струны единичной длины с закрепленными концами, начальное положение которой изображено на рисунке. Начальные скорости равны нулю. Вычисления выполнить с шагом h по x, равным 0.1, с шагом ( по t, равным 0.05, провести вычисления для 16 временных слоев с печатью результатов на каждом слое. Таким образом, задача имеет вид

( ( 2 u/ ( t2) = ( ( 2 u/ ( x 2) , x ( [ 0 , 1 ] , t (
[ 0 , T ] , u ( x , 0 ) = f (x) , x ( [ 0 , a ], ( u(x,0)/ ( t = g(x) , x ( [ 0 , a ], u ( 0 , t ) = 0, u ( 1 , t ) = 0, t ( [ 0 , 0.8 ],

( 2x , x ( [ 0 , 0.5 ] , f(x) = ( g( x ) = 0

( 2 - 2x , x ( [ 0.5 , 1 ] ,

Строим сетку из 11 узлов по x и выполняем вычисления для 16 слоев по t. Программа, и результаты вычисления приведены далее.