• Nie Znaleziono Wyników

yj+1 = yj + hf (tj, yj)

y0 = x0

Wzór ten opisuje rekurencyjnie ciąg punktów yi, który ma być ciągiem przybliżeń wartości rzeczywistego rozwiązania w punktach ti. Podamy warunek, jaki musi spełniać zagadnienie, aby przy zwiększeniu liczby tych punktów, czyli zmniejsza-niu długości przedziału h, przybliżenie było coraz lepsze.

4. Z otrzymanego ciągu punktów budujemy funkcję y, która będzie przybliżeniem całego rozwiązania. Można opisać ją wzorem:

(

y(tj) = yj

y(t) = yj + (t − tj)yj+1−yj

h = yj+ (t − tj)f (tj, yj) dla t ∈ [tj, tj+1] Wykresem takiej funkcji jest łamana, zwana łamaną Eulera.

W dalszych rozważaniach zakładamy, że metoda Eulera daje nam „od razu” przy-bliżenie rozwiązania na całym przedziale [a, b], a nie na jego części, tak jak to było po-dane na początku tego rozdziału. Wiemy że da się otrzymać takie przybliżenie na całym przedziale, więc uproszczenie to nie wpływa na poprawność formułowanych twierdzeń i faktów.

8.3 Zbieżność metody Eulera

Definicja 8.3.1. Mówimy, że metoda Eulera jest zbieżna, jeśli:

lim

N →∞ max

j=0,...,N|yj− x(tj)| = 0.

Gdzie yj jest punktem zdefiniowanym zgodnie z metodą Eulera, natomiast x(tj) jest wartością rzeczywistego rozwiązania w punkcie tj.

Sens tej definicji jest taki: metoda Eulera jest zbieżna, jeśli przy zwiększeniu liczby punktów tj różnica między prawdziwym rozwiązaniem, a rozwiązaniem przybliżonym maleje. Czyli im podział będziesz gęstszy, tym przybliżenie lepsze.

Twierdzenie 8.3.2 (o zbieżności metody Eulera). Załóżmy, że funkcja f ∈ C([a, b] ×

R, R), oraz istnieje takie L > 0, że ∀t∈[a,b]x,y∈R|f (t, x) − f (t, y)| ¬ L|x − y|. Wówczas metoda Eulera dla zagadnienia (P C) jest zbieżna.

1Czyli: f0(t) = limh→0

f (t+h)−f (t)

8.3. ZBIEŻNOŚĆ METODY EULERA 63

Plan dowodu:

1. Szacujemy błąd metody – czyli odległość rozwiązania prawdziwego od przybliżo-nego.

2. Szacowanie powyższe prowadzi do nierówności rekurencyjnej. 3. Korzystamy z modułu ciągłości2, aby uprościć szacowanie.

4. Rozwiązujemy nierówność rekurencyjną, tzn. chcemy otrzymać szacowanie błędu metody w węźle tj, które nie będzie zależne od dobru j a jednie od h. Korzystamy z warunku Lipschitza, który spełnia funkcja f zgodnie z założeniami naszego twierdzenia.

5. Otrzymujemy oszacowanie, które pozwala w prosty sposób pokazać tezę, tzn. pokazujemy, że jeśli długość przedziału h dąży do zera, to błąd metody w j-tym węźle również.

Dowód. Wprowadźmy na początek oznaczenie. Niech ∆j := |yj− x(tj)| oznacza błąd

metody Eulera w j-tym węźle. Wówczas mamy:

j+1= |yj+1− x(tj+1)|(def ) = yj+ hf (tj, yj) − x(tj) − Z tj+1 tj f (s, x(s))ds = Skorzystaliśmy właśnie z definicji ∆j, yj oraz zapisaliśmy x(tj+1) w postaci całki (x jest rozwiązaniem zagadnienia, a nie przybliżeniem). Teraz do naszego wyrażanie pod wartością bezwzględną dodamy i odejmiemy hf (tj, x(tj)), aby potem zastosować pewne szacowanie. Mamy więc:

= yj− x(tj) + hf (tj, yj) − hf (tj, x(tj)) + hf (tj, x(tj)) − Z tj+1 tj f (s, x(s))ds

Zauważmy teraz, że h = tj+1− tj, a wyrażenie f (tj, x(tj)) oczywiście jest stałą (przy ustalonym j), tak więc hf (tj, x(tj)) = (tj+1 − tj)f (tj, x(tj)) = Rtj+1

tj f (tj, x(tj))ds. Ko-rzystając z tego, wyrażenie hf (tj, x(tj)) przeniesiemy pod całkę. Skorzystamy również z nierówności trójkąta: ¬ |yj− x(tj)| + h|f (tj, yj) − f (tj, x(tj))| + Z tj+1 tj f (tj, x(tj)) − f (s, x(s))ds ¬

Skorzystamy teraz z definicji ∆j, oraz z warunku Lipschitza aby uprościć zapis3:

¬ ∆j+ hL|yj − x(tj)| + Z tj+1 tj |f (tj, x(tj)) − f (s, x(s))| ds = = ∆j+ hL∆j + Z tj+1 tj |f (tj, x(tj)) − f (s, x(s))| ds =

2Pojęcie to zostanie wyjaśnione w ramach dowodu.

3Każdy z trzech składników naszej sumy zapisujemy w innej postaci: |yj− x(tj)| = ∆j, h|f (tj, yj) −

f (tj, x(tj))| ¬ hL|yj − x(tj)|, a w całce wchodzimy z wartością bezwzględną pod całkę (po takiej operacji wartość albo wzrośnie albo nie zmieni się).

64 ROZDZIAŁ 8. PRZYBLIŻANIE ROZWIĄZANIA – METODA EULERA

= (hL + 1)∆j +

Z tj+1

tj

|f (tj, x(tj)) − f (s, x(s))| ds. Otrzymaliśmy więc następujące szacowanie (∗):

j+1 ¬ (hL + 1)∆j+

Z tj+1

tj

|f (tj, x(tj)) − f (s, x(s))| ds. Rozważmy teraz funkcję:

g(s) = f (s, x(s)), g : [a, b] → R.

Jest to funkcja ciągła, a skoro jest określona na przedziale domkniętym, to jest jedno-stajnie ciągła, czyli:

>0δ>0t,t0∈[a,b]|t − t0| < δ ⇒ |g(t) − g(t0)| < .

Z powyższej definicji wynika, iż wybór δ uzależniony jest od wyboru . Można wobec tego mówić o funkcji (w pewnym sensie). Można też (czego nie uzasadnimy) mówić o sytuacji odwrotnej, tzn. o doborze  dla dowolnej δ, czyli:

t,t0∈[a,b]|t − t0| < δ ⇒ |g(t) − g(t0)| < ω(δ),

gdzie ω : [0, b − a] → R+ oraz limδ→0+ω(δ) = 0. Taka funkcja ω nosi nazwę moduł

ciągłości funkcji g. Można ją skonstruować, jednak nie będziemy tego robić. Zakładamy po prostu, że ona istnieje.

Skorzystamy z modułu ciągłości w naszej nierówności. Nierówność (∗) można bo-wiem zapisać prościej:

j+1 ¬ ∆j(1 + hL) +

Z tj+1

tj

ω(h)ds.

Co można zapisać jeszcze prościej:

j+1 ¬ ∆j(1 + hL) + hω(h)ds. (∗∗)

Jest to ostateczna forma tej nierówności. Jak widać, jest to nierówność rekurencyjna, bo ∆j+1 zależy do ∆j. Postaramy się teraz „rozwikłać” tą nierówność, tzn. podać oszacowanie, które nie będzie rekurencyjne. Dla ustalenia uwagi obniżamy na początek indeksy o 1. Mamy:

j ¬ ∆j−1(1 + hL) + hω(h) ¬

Dla wyrażenia ∆j−1 rekurencyjnie możemy zastosować oszacowanie (∗∗):

¬ (1 + hL)((1 + hL)∆j−2+ hω(h)) + hω(h) = = (1 + hL)2j−2+ (1 + hL)hω(h) + hω(h) ¬ Podobnie jak poprzednio, szacujemy wyrażenie ∆j−2:

¬ (1 + hL)2((1 + hL)∆j−3+ hω(h)) + (1 + hL)hω(h) + hω(h) = = (1 + hL)3j−3+ (1 + hL)2hω(h) + (1 + hL)hω(h) + hω(h) ¬ ¬ . . . ¬ (1 + hL)j0+ (1 + hL)j−1hω(h) + . . . + (1 + hL)hω(h) + hω(h) =

8.3. ZBIEŻNOŚĆ METODY EULERA 65 = (1 + hL)j0+ hω(h) j−1 X i=0 (1 + hL)i Otrzymaliśmy więc: ∆j ¬ (1 + hL)j0+ hω(h) j−1 X i=0 (1 + hL)i.

Oczywiście formalnie rzecz biorąc, potrzebny jest teraz dowód indukcyjny poprawności tego oszacowania. Łatwiej jednak udowodnić podany niżej lemat.

Lemat 8.3.3. Jeśli zachodzi ∆j+1 ¬ A∆j + B, to zachodzi również ∆j ¬ Aj0 +

BPj−1 i=0Ai.

Dowód lematu: Prosta indukcja po j. Krok I: dla j = 1 mamy ∆1 ¬ A∆0+ B, czyli teza i założenie mają tą samą postać. Więc lemat jest spełniony dla j = 1. Krok II: zakładamy że dla j lemat jest poprawny i pokażemy, że jest poprawny dla j + 1:

j+1 ¬ A(∆j) + B ¬ A(Aj0+ B j−1 X i=0 Ai) + B = = Aj+10+ B j X i=1 Aj+ B = Aj+10+ B j X i=0 Aj.

Czyli lemat jest również poprawny dla j + 1. Zgodnie z zasadą indukcji matematycznej, lemat jest prawdziwy.

Wróćmy do naszego oszacowania. Zauważmy, że wzór można jeszcze uprościć, ze względu na fakt iż ∆0 = 0. Dzieje się tak, ze względu na to, że w metodzie Eulera węzeł o numerze 0 dany jest w warunku początkowym zagadnienia, czyli nie jest on w żaden sposób przybliżony. Mamy więc:

j ¬ hω(h)

j−1

X

i=0

(1 + hL)i =

Stosując wzór na skończoną sumę ciągu geometrycznego mamy: = hω(h)1 − (1 + hL) j 1 − (1 + hL) = hω(h) 1 − (1 + hL)j −hL = = ω(h)1 − (1 + hL) j −L = ω(h) (1 + hL)j − 1 L . Mamy więc: ∆j ¬ (1 + hL) j − 1 L ω(h).

Skorzystamy teraz z nierówności:

x∈R(1 + x) ¬ ex.

Możemy więc napisać, że 1 + hL ¬ ehL. Mamy więc:

j ¬ e

hLj − 1

66 ROZDZIAŁ 8. PRZYBLIŻANIE ROZWIĄZANIA – METODA EULERA

Zauważmy, że ze względu na to, że ex jest rosnąca, to wyrażenie z prawej strony nie-równości osiąga największą wartość dla j = n. Mamy więc:

j ¬ e

hLn− 1

L ω(h).

Ze względu na to, iż h = b−an możemy napisać:

j ¬ e

(b−a)L

L ω(h).

Widać teraz, że jeśli przejdziemy do granicy h → 0+, to wyrażenie po prawej stronie nierówności dąży do zera (ze względu na funkcję ω(h)). Zgodnie z twierdzeniem o trzech ciągach, ∆j musi więc też zbiegać do zera, bo z jednej strony ograniczone jest przez zero, a z drugiej (zgodnie z naszym oszacowaniem) przez coś co zbiega do zera. Czyli rzeczywiście, jeśli liczba punktów podziału naszego odcinka rośnie, to h maleje, i błąd w każdym z punktów maleje. Metoda Eulera jest więc zbieżna.

Rozdział 9

Równania cząstkowe – równanie

ciepła

9.1 Wprowadzenie

W rozdziale zajmiemy się nieco równaniami cząstkowymi. Zauważmy, że dotychczas wszystko co robiliśmy z równaniami różniczkowymi dotyczyło równań, w których nie-wiadoma była funkcją jednej zmiennej (jedno, bądź wielo wymiarową). W równaniach o których będziemy mówić tutaj, niewiadoma, jest funkcją wielu zmiennych i pojawiają się pochodne cząstkowe tychże funkcji. Na początku podamy kilka przykładów równań cząstkowych, co pozwoli nam zapoznać się z podstawowymi oznaczeniami i terminami.

9.1.1 Przykłady równań cząstkowych

Definicja 9.1.1 (laplasjan). Laplasjanem funkcji u(x1, x2, . . . , xn) nazywamy:

∆u(x1, x2, . . . , xn) = 2u ∂x2 1 + 2u ∂x2 2 + . . . 2u ∂x2 n .

Uwaga 9.1.2. Często mamy do czynienia z sytuacją, gdy pierwsza zmienna funkcji,

jest w jakiś sposób wyróżniona – na przykład oznacza czas. Wygodnie jest wówczas zdefiniować specjalną „wersje” laplasjanu dla funkcji u(t, x1, . . . , xn):

xu(t, x1, x2, . . . , xn) = 2u ∂x2 1 + 2u ∂x2 2 + . . . 2u ∂x2 n

W wielu przypadkach, taki właśnie laplasjan będziemy oznaczać przez ∆u.

Przykład 9.1.3 (równanie Laplace’a). Równanie cząstkowe może mieć postać:

∆u = 0,

dla x ∈ Ω, z warunkiem: u = ϕ na ∂Ω co oznacza, że funkcja u przyjmuje wartość ϕ na ∂Ω czyli na brzegu zbioru Ω.

Przykład 9.1.4 (równanie drgania). Innym przykładem równania cząstkowego, może

być, stosowane w fizyce, równanie drgania:

2u

∂t2 − ∆xu = f.

68 ROZDZIAŁ 9. RÓWNANIA CZĄSTKOWE – RÓWNANIE CIEPŁA

Przykład 9.1.5 (równanie dyfuzji). Równanie dyfuzji, ma postać:

∂u

∂t − ∆xu = g.

W równaniu tym funkcja u oznacza temperaturę w punkcie x = (x1, . . . , xn) przestrzeni, w czasie t.

Przykład 9.1.6 (równanie ciepła). Równanie ciepła, którym będziemy się zajmować

dalej w tym rozdziale, to równanie postaci:

∂u

∂t − ∆xu = 0.

Powiązane dokumenty