1. 引言
常微分方程是现代数学的一个重要分支,在物理学,微分几何,计算数学,计算机图形学,图象处理以及大量的边缘科学诸如电磁流体力学、化学流体力学、动力气象学、海洋动力学、地下水动力学等学科中都有许多重要的应用。因此,对于常微分方程的求解就显得尤为重要。对于常微分方程的精确解求解办法有很多种方法 [1] 。对于常微分方程的数值求解方法 [2] 也有很多,有学者采用Milstein方法 [3] ,也有学者采用Birkhoff配点法 [4] ,还有学者采用龙格–库塔法,利用泰勒展开式求解二阶常微分方程 [5] 。最近,有人利用Lagrange插值 [6] 函数的优点,采用等距节点来求解偏微分方程 [7] 单区域时空方向上的数值解,也有学者对KdV方程采用Legendre-Hermite时空二元谱配置方法 [8] ,采用非等距节点求解偏微分方程,而文献 [9] 给出多区域非等距节点谱配法求解偏微分方程。而本文将考虑对常微分方程采用等距节点构造Lagrange插值算法,并给出多区域等距节点谱配法求解常微分方程的算法格式。
我们以下面的二阶常微分方程为例,记
,考虑常微分方程的初边值问题:
(1)
先通过构造单区域上的Lagrange插值逼近算法来逼近上述方程的精确解,再将区间(−1, 1)分解成两部分,构造多区域上的Lagrange插值逼近算法,将方程转化成矩阵方程求解。通过数值实验发现,该算法所求的近似解能够很好的逼近精确解,而且该算法实施较为容易,易于理解。
2. 基于等距节点的拉格朗日多项式的微分矩阵推导
记
,
,
,
。则以
为节点的Lagrange插值基函数为:
令
,则有:
记
为次数
的多项式集合,对于
,其插值多项式为:
记
关于x求一阶导数,并令
,得:
设
是
矩阵,且
,由文献 [7] 可知:
对于
的具体推导在文献 [7] 中有详细推导,由文献 [10] 可知,m阶微分矩阵与一阶微分矩阵的关系是:
。
3. 常微分方程多区域Lagrange插值逼近算法格式
令
,(1)式的Lagrange插值逼近方法就是求多项式
满足:
(2)
其数值解可以写成:
3.1. 单区域
3.1.1. 单区域常微分方程Lagrange插值逼近算法构造
将数值解带入(2)中有:
(3)
由微分矩阵定义可以将(3)转化为(4):
(4)
则(4)为:
(5)
取
,(5)式可以写成:
我们不妨记:
我们可以得到如下矩阵方程:
(6)
3.1.2. 单区域数值结果
我们将(6)式转化为:
(7)
其中E表示
阶单位阵,则(7)式可以求得近似解为:
我们用
-来衡量精确解与数值解之间的误差:
而方程(1)的精确解为:
。
可以得到误差图(图1),对最大误差
取对数可以得到随着插值节点数M的增大,最大误差
呈下降趋势,且误差效果良好,可以说明上述所提算法格式良好,具有高精度。
3.2. 多区域
3.2.1. 区域常微分方程的Lagrange插值逼近算法构造
为了能够得到更高误差精度,我们将整个求解区域
分解成两个区域
,
。数值解展开为:
由(1)的解
,在公共边界处有数值解的函数值和导数值相等,即:
函数值:
。
导数值:
。
由微分矩阵定义,将上述两式联立可以得到:
(8)
其中
表示区域
上的微分矩阵,
表示区域
上的微分矩阵,
,
。
在区域
用数值解逼近区域
的精确解得到:
(9)
对(9)利用微分矩阵定义并将端点值提出可以得到:
(10)
将(8)式带入到(10)式中有:
(11)
将(11)式展开,并记:
由(1)式中边界值可知,
,
。(11)式可以转化成下列矩阵方程:
(12)
同理,对区域
仿照区域
可以得到:
(13)
有微分矩阵定义以及(8)式可以得到(14)式:
(14)
将(14)式展开,并记:
将(14)式转化成如下矩阵方程:
(15)
3.2.2. 多区域数值结果
将(12)和(15)式联立可以得到:
(16)
(16)可以等价于:
不妨令:
则(16)可以写成下列方程:
(17)
其中I为
阶单位矩阵。利用(17)式可以求出(1)式的数值解,我们令
,仍然用用
-来衡量精确解与数值解之间的误差,其中
表示区域
上的误差,
表示区域
上的误差,
表示整个区域上的误差,
:
图2是多区域误差图,可以看出,误差量级与
成线性关系,最大误差
随着插值节点数
的增大而减小,可以看到,多区域的误差精度能达到−12,明显比单区域高,由此可以说明多区域的Lagrange插值效果比单区域的Lagrange插值效果好,也体现了本文所提算法格式有效。
4. 结论
本文通过构造Lagrange插值算法逼近格式求解常微分方程的数值解,将常微分方程转化成矩阵方程求解,通过数值实验结果可以得出,本文所提算法格式良好。为了进一步提高算法精度,通过将区域分解的方式,可以提高误差精度,数值结果也证明了这一结论。本文所提算法格式简单,易于操作,计算所用的节点个数少即可达到较高精度,对于求解其他常微分方程也适用。
基金项目
河南省大学生创新创业训练计划项目(No.202310464051)。
参考文献