Методы для решения краевых задач, в том числе жестких краевых задач


Примечание	Компактно собраны и объединены материалы с нескольких моих сайтов с добавлением нового оригинального материала, расширяющего возможности материалов моих сайтов
	Загрузить архив:
	Файл: ref-30471.zip (203kb [zip], Скачиваний: 64) скачать

Методы для решения краевых задач,

в том числе «жестких» краевых задач.

1. Введение.

На примере системы дифференциальных уравнений цилиндрической оболочки ракеты – системы обыкновенных дифференциальных уравнений 8-го порядка (после разделения частных производных).

Система линейных обыкновенных дифференциальных уравнений имеет вид:

Y(x) = A(x) Y(x) + F(x),

где Y(x) – искомая вектор-функция задачи размерности 8х1, Y(x) – производная искомой вектор-функции размерности 8х1, A(x) – квадратная матрица коэффициентов дифференциального уравнения размерности 8х8, F(x) – вектор-функция внешнего воздействия на систему размерности 8х1.

Здесь и далее вектора обозначаем жирным шрифтом вместо черточек над буквами

Краевые условия имеют вид:

UY(0) = u,

VY(1) = v,

где

Y(0) – значение искомой вектор-функции на левом крае х=0 размерности 8х1, U – прямоугольная горизонтальная матрица коэффициентов краевых условий левого края размерности 4х8, u– вектор внешних воздействий на левый край размерности 4х1,

Y(1) – значение искомой вектор-функции на правом крае х=1 размерности 8х1, V – прямоугольная горизонтальная матрица коэффициентов краевых условий правого края размерности 4х8, v– вектор внешних воздействий на правый край размерности 4х1.

В случае, когда система дифференциальных уравнений имеет матрицу с постоянными коэффициентами A=const, решение задачи Коши имеет вид [Гантмахер]:

Y(x) = e Y(x) + ee F(t) dt,

где

e= E + A(x-x) + A (x-x)/2! + A (x-x)/3! + …,

где E это единичная матрица.

Матричная экспонента ещё может называться матрицей Коши и может обозначаться в виде:

K(x←x) = K(x - x) = e.

Тогда решение задачи Коши может быть записано в виде:

Y(x) = K(x←x) Y(x)+Y*(x←x),

где Y*(x←x) = ee F(t) dtэто вектор частного решения неоднородной системы дифференциальных уравнений.

2. Случай переменных коэффициентов.

Из теории матриц [Гантмахер] известно свойство перемножаемости матричных экспонент (матриц Коши):

e= e e … e e,

K(x←x) = K(x←x) K(x←x) … K(x←x) K(x←x).

В случае, когда система дифференциальных уравнений имеет матрицу с переменными коэффициентами A=A(x), решение задачи Коши предлагается искать при помощи свойства перемножаемости матриц Коши. То есть интервал интегрирования разбивается на малые участки и на малых участках матрицы Коши приближенно вычисляются по формуле для постоянной матрицы в экспоненте. А затем матрицы Коши, вычисленные на малых участках, перемножаются:

K(x←x) = K(x←x) K(x←x) … K(x←x) K(x←x),

где матрицы Коши приближенно вычисляются по формуле:

K(x←x) = e,где x= x- x.

3. Формула для вычисления вектора частного решения неоднородной системы дифференциальных уравнений.

Вместо формулы для вычисления вектора частного решения неоднородной системы дифференциальных уравнений в виде [Гантмахер]:

Y*(x←x) = ee F(t) dt

предлагается использовать следующую формулу для каждого отдельного участка интервала интегрирования и тогда вектор частного решения на всем интервале будет складываться из векторов, вычисленных по формуле:

Y*(x←x) = Y*(x- x) = K(x- x) K(x- t) F(t) dt .

Правильность приведенной формулы подтверждается следующим:

Y*(x- x) = ee F(t) dt ,

Y*(x- x) = e F(t) dt ,

Y*(x- x) = e e F(t) dt ,

Y*(x←x) = ee F(t) dt,

что и требовалось подтвердить.

Вычисление вектора частного решения системы дифференциальных уравнений производиться при помощи представления матрицы Коши под знаком интеграла в виде ряда и интегрирования этого ряда поэлементно:

Y*(x←x) = Y*(x- x) = K(x- x) K(x- t) F(t) dt =

= K(x- x) (E + A(x- t) + A(x- t)/2! + … ) F(t) dt =

= K(x- x) (EF(t) dt+ A(x- t) F(t) dt+ A/2! (x- t) F(t) dt+ … ) .

Эта формула справедлива для случая системы дифференциальных уравнений с постоянной матрицей коэффициентов A=const.

Для случая переменных коэффициентов A=A(x) можно использовать прием разделения участка (x- x) интервала интегрирования на малые подучастки, где на подучастках коэффициенты можно считать постоянными A(x)=constи тогда вектор частного решения неоднородной системы дифференциальных уравнений Y*(x←x) будет на участке складываться из соответствующих векторов подучастков, на которых матрицы Коши приближенно вычисляются при помощи формул с постоянными матрицами в экспонентах.

4. Метод переноса краевых условий в произвольную точку интервала интегрирования.

Полное решение системы дифференциальных уравнений имеет вид

Y(x) = K(x←x) Y(x)+Y*(x←x).

Или можно записать:

Y(0) = K(0←x) Y(x)+Y*(0←x).

Подставляем это выражение для Y(0) в краевые условия левого края и получаем:

UY(0) = u,

U[ K(0←x) Y(x)+Y*(0←x) ] = u,

[ U K(0←x) ] Y(x)= u - UY*(0←x).

Или получаем краевые условия, перенесенные в точку x:

U Y(x)= u,

где U= [ U K(0←x) ] и u = u - UY*(0←x) .

Далее запишем аналогично

Y(x) = K(x←x) Y(x)+Y*(x←x)

И подставим это выражение для Y(x) в перенесенные краевые условия точки x

U Y(x)= u,

U [ K(x←x) Y(x)+Y*(x←x) ]= u,

[ U K(x←x) ] Y(x)= u- U Y*(x←x) ,

Или получаем краевые условия, перенесенные в точку x:

U Y(x)= u,

где U= [ U K(x←x) ] и u = u- U Y*(x←x) .

И так в точку x переносим матричное краевое условие с левого края и таким же образом переносим матричное краевое условие с правого края и получаем:

U Y(x)= u,

V Y(x)= v.

Из этих двух матричных уравнений с прямоугольными горизонтальными матрицами коэффициентов очевидно получаем одну систему линейных алгебраических уравнений с квадратной матрицей коэффициентов:

Y(x) = .

А в случае «жестких» дифференциальных уравнений предлагается применять построчное ортонормирование матричных краевых условий в процессе их переноса в рассматриваемую точку. Для этого формулы ортонормирования систем линейных алгебраических уравнений можно взять в [Березин, Жидков].

То есть, получив

U Y(x)= u,

применяем к этой группе линейных алгебраических уравнений построчное ортонормирование и получаем эквивалентное матричное краевое условие:

U Y(x)= u.

И теперь уже в это проортонормированное построчно уравнение подставляем

Y(x) = K(x←x) Y(x)+Y*(x←x).

И получаем

U [ K(x←x) Y(x)+Y*(x←x) ]= u,

[ U K(x←x) ] Y(x)= u- U Y*(x←x) ,

Или получаем краевые условия, перенесенные в точку x:

U Y(x)= u,

где U= [ U K(x←x) ] и u = u- U Y*(x←x) .

Теперь уже к этой группе линейных алгебраических уравнений применяем построчное ортонормирование и получаем эквивалентное матричное краевое условие:

U Y(x)= u.

И так далее.

И аналогично поступаем с промежуточными матричными краевыми условиями, переносимыми с правого края в рассматриваемую точку.

В итоге получаем систему линейных алгебраических уравнений с квадратной матрицей коэффициентов, состоящую из двух независимо друг от друга поэтапно проортонормированных матричных краевых условий, которая решается любым известным методом для получения решения Y(x) в рассматриваемой точке x:

Y(x) = .

5. Второй вариант метода переноса краевых условий в произвольную точку интервала интегрирования.

Предложено выполнять интегрирование по формулам теории матриц [Гантмахер] сразу от некоторой внутренней точки интервала интегрирования к краям:

Y(0) = K(0←x) Y(x) +Y*(0←x),

Y(1) = K(1←x) Y(x) +Y*(1←x).

Подставим эти формулы в краевые условия и получим:

UY(0) = u,

U[ K(0←x) Y(x)+Y*(0←x) ] = u,

[ U K(0←x) ] Y(x)= u - UY*(0←x).

VY(1) = v,

V[ K(1←x) Y(x)+Y*(1←x) ] = v,

[ V K(1←x) ] Y(x)= v - VY*(1←x).

То есть получаем два матричных уравнения краевых условий, перенесенные в рассматриваемую точку x:

[ U K(0←x) ] Y(x)= u - UY*(0←x),

[ V K(1←x) ] Y(x)= v - VY*(1←x).

Эти уравнения аналогично объединяются в одну систему линейных алгебраических уравнений с квадратной матрицей коэффициентов для нахождения решения Y(x)в любой рассматриваемой точке x:

Y(x)=.

В случае «жестких» дифференциальных уравнений предлагается следующий алгоритм.

Используем свойство перемножаемости матриц Коши:

K(x←x) = K(x←x) K(x←x) … K(x←x) K(x←x)

и запишем выражения для матриц Коши, например, в виде:

K(0←x) = K(0←x) K(x←x) K(x←x),

K(1←x) = K(1←x) K(x←x) K(x←x) K(x←x),

Тогда перенесенные краевые условия можно записать в виде:

[ U K(0←x) K(x←x) K(x←x) ] Y(x)= u - UY*(0←x),

[ V K(1←x) K(x←x) K(x←x) K(x←x) ] Y(x)= v - VY*(1←x)

или в виде:

[ U K(0←x) K(x←x) K(x←x) ] Y(x)= u*,

[ V K(1←x) K(x←x) K(x←x) K(x←x) ] Y(x)= v*.

Тогда рассмотрим левое перенесенное краевое условие:

[ U K(0←x) K(x←x) K(x←x) ] Y(x)= u*,

[ U K(0←x) ] { K(x←x) K(x←x) Y(x) }= u*,

[ матрица] { вектор}= вектор .

Эту группу линейных алгебраических уравнений можно подвергнуть построчному ортонормированию, которое сделает строчки [матрицы] ортонормированными, {вектор} затронут не будет, а вектор получит преобразование. То есть получим:

[ U K(0←x) ] { K(x←x) K(x←x) Y(x) }= u*.

Далее последовательно можно записать:

[[ U K(0←x) ] K(x←x) ] { K(x←x) Y(x) }= u*,

[ матрица ] { вектор}= вектор.

Аналогично и эту группу линейных алгебраических уравнений можно подвергнуть построчному ортонормированию, которое сделает строчки [матрицы] ортонормированными, {вектор} затронут не будет, а вектор получит преобразование. То есть получим:

[[ U K(0←x) ] K(x←x) ] { K(x←x) Y(x) }= u*,

Далее аналогично можно записать:

[[[ U K(0←x) ] K(x←x) ] K(x←x) ] { Y(x) }= u*,

[ матрица ] { вектор}= вектор.

[[[ U K(0←x) ] K(x←x) ] K(x←x) ] Y(x)= u*.

Аналогично можно проортонормировать матричное уравнение краевых условий и для правого края независимо от левого края.

Далее проортонормированные уравнения краевых условий:

[ U K(0←x) ] Y(x)= u*,

[ V K(1←x) ] Y(x) = v*

как и ранее объединяются в одну обычную систему линейных алгебраических уравнений с квадратной матрицей коэффициентов для нахождения искомого вектора Y(x) :

Y(x)= .

6. Метод дополнительных краевых условий.

Запишем на левом крае ещё одно уравнение краевых условий:

M Y(0) = m .

В качестве строк матрицы M можно взять те краевые условия, то есть выражения тех физических параметров, которые не входят в параметры краевых условий левого края L или линейно независимы с ними. Это вполне возможно, так как у краевых задач столько независимых физических параметров какова размерность задачи, а в параметры краевых условий входит только половина физических параметров задачи. То есть, например, если рассматривается задача об оболочке ракеты, то на левом крае могут быть заданы 4 перемещения. Тогда для матрицы М можно взять параметры сил и моментов, которых тоже 4, так как полная размерность такой задачи – 8. Вектор m правой части неизвестен и его надо найти и тогда можно считать, что краевая задача решена, то есть сведена к задаче Коши, то есть найден вектор Y(0) из выражения:

Y(0) = ,

то есть вектор Y(0)находится из решения системы линейных алгебраических уравнений с квадратной невырожденной матрицей коэффициентов, состоящей из блоков U и M.

Аналогично запишем на правом крае ещё одно уравнение краевых условий:

N Y(0) = n ,

где матрица N записывается из тех же соображений дополнительных линейно независимых параметров на правом крае, а вектор n неизвестен.

Для правого края тоже справедлива соответствующая система уравнений:

Y(1) = .

Запишем Y(1) = K(1←0) Y(0) + Y*(1←0) и подставим в последнюю систему линейных алгебраических уравнений:

[ K(1←0) Y(0) + Y*(1←0) ] = ,

K(1←0) Y(0)= - Y*(1←0),

K(1←0) Y(0)= ,

K(1←0) Y(0)= .

Запишем вектор Y(0)через обратную матрицу:

Y(0) =

и подставим в предыдущую формулу:

K(1←0) = .

Таким образом, мы получили систему уравнений вида:

В = ,

где матрица В известна, векторы u и s известны, а векторы mи tнеизвестны.

Разобьем матрицу В на естественные для нашего случая 4 блока и получим:

= ,

откуда можем записать, что

В11 u + B12 m = s,

B21 u + B22 m = t.

Следовательно, искомый вектор m вычисляется по формуле:

m = B12 (s – B11 u).

А искомый вектор n вычисляется через вектор t:

t = B21 u + B22 m,

n = t + N Y*(1←0).

В случае «жестких» дифференциальных уравнений предлагается выполнять поочередное построчное ортонормирование.

Запишем приведенную выше формулу

K(1←0) =

в виде:

K(1←x2) K(x2←x1) K(x1←0) = .

Эту формулу можно записать в виде разделения левой части на произведение матрицы на вектор:

[ K(1←x2) ]{ K(x2←x1) K(x1←0) } =

[матрица ]{вектор}=вектор

[ K(1←x2) ]{ K(x2←x1) K(x1←0) } =

Здесь следует сказать, что подвектор t подвергать преобразованию не нужно, так как невозможно, так как его первоначальное значение не известно. Но подвектор t нам оказывается и не нужен для решения задачи.

Далее запишем:

[[ K(1←x2) ] K(x2←x1)] { K(x1←0) } =

[матрица ]{вектор }=вектор

[[ K(1←x2) ] K(x2←x1)] { K(x1←0) } = .

И так далее.

В результате поочередного ортонормирования получим:

В = ,

= .

Следовательно, искомый вектор m вычисляется по формуле:

m = B12 (s – B11 u).

7. Формула для начала счета методом прогонки С.К.Годунова.

Рассмотрим проблему метода прогонки С.К.Годунова.

Предположим, что рассматривается оболочка ракеты. Это тонкостенная труба. Тогда система линейных обыкновенных дифференциальных уравнений будет 8-го порядка, матрица A(x) коэффициентов будет иметь размерность 8х8, искомая вектор-функция Y(x)будет иметь размерность 8х1, а матрицы краевых условий будут прямоугольными горизонтальными размерности 4х8.

Тогда в методе прогонки С.К.Годунова для такой задачи решение ищется в следующем виде:

Y(x)= Y(x) c +Y(x) c + Y(x) c + Y(x) c + Y*(x),

или можно записать в матричном виде:

Y(x)= Y(x) c+ Y*(x),

где векторы Y(x), Y(x), Y(x), Y(x) – это линейно независимые вектора-решения однородной системы дифференциальных уравнений, а вектор Y*(x) – это вектор частного решения неоднородной системы дифференциальных уравнений.

Здесь Y(x)=|| Y(x), Y(x), Y(x), Y(x)|| это матрица размерности 8х4, а cэто соответствующий вектор размерности 4х1из искомых констант c,c,c,c.

Но вообще то решение для такой краевой задачи с размерностью 8 (вне рамок метода прогонки С.К.Годунова) может состоять не из 4 линейно независимых векторов Y(x), а полностью из всех 8 линейно независимых векторов-решений однородной системы дифференциальных уравнений:

Y(x)=Y(x)c+Y(x)c+Y(x)c+Y(x)c+

+Y(x)c+Y(x)c+Y(x)c+Y(x)c+Y*(x),

И как раз трудность и проблема метода прогонки С.К.Годунова и состоит в том, что решение ищется только с половиной возможных векторов и констант и проблема в том, что такое решение с половиной констант должно удовлетворять условиям на левом крае (стартовом для прогонки) при всех возможных значениях констант, чтобы потом найти эти константы из условий на правом крае.

То есть в методе прогонки С.К.Годунова есть проблема нахождения таких начальных значений Y(0), Y(0), Y(0), Y(0), Y*(0) векторов Y(x), Y(x), Y(x), Y(x), Y*(x), чтобы можно было начать прогонку с левого края x=0, то есть чтобы удовлетворялись условия UY(0) = u на левом крае при любых значениях констант c,c,c,c.

Обычно эта трудность «преодолевается» тем, что дифференциальные уравнения записываются не через функционалы, а через физические параметры и рассматриваются самые простейшие условия на простейшие физические параметры, чтобы начальные значения Y(0), Y(0), Y(0), Y(0), Y*(0) можно было угадать. То есть задачи со сложными краевыми условиями так решать нельзя: например, задачи с упругими условиями на краях.

Ниже предлагается формула для начала вычислений методом прогонки С.К.Годунова.

Выполним построчное ортонормирование матричного уравнения краевых условий на левом крае:

UY(0) = u,

где матрица U прямоугольная и горизонтальная размерности 4х8.

В результате получим эквивалентное уравнение краевых условий на левом крае, но уже с прямоугольной горизонтальной матрицей U размерности 4х8, у которой будут 4 ортонормированные строки:

UY(0) = u,

где в результате ортонормирования вектор u преобразован в вектор u.

Как выполнять построчное ортонормирование систем линейных алгебраических уравнений можно посмотреть в [Березин, Жидков].

Дополним прямоугольную горизонтальную матрицу U до квадратной невырожденной матрицы W:

W = ,

где матрица М размерности 4х8 должна достраивать матрицу U до невырожденной квадратной матрицы W размерности 8х8.

В качестве строк матрицы М можно взять те краевые условия, то есть выражения тех физических параметров, которые не входят в параметры левого края или линейно независимы с ними. Это вполне возможно, так как у краевых задач столько независимых физических параметров какова размерность задачи, то есть в данном случае их 8 штук и если 4 заданы на левом крае, то ещё 4 можно взять с правого края.

Завершим ортонормирование построенной матрицы W, то есть выполним построчное ортонормирование и получим матрицу W размерности 8х8 с ортонормированными строками:

W = .

Можем записать, что

Y(x) = (М)транспонированная = М.

Тогда, подставив в формулу метода прогонки С.К.Годунова, получим:

Y(0) = Y(0) с + Y*(0)

или

Y(0) = Мс + Y*(0).

Подставим эту последнюю формулу в краевые условия UY(0) = u и получим:

U [ Мс + Y*(0) ]= u.

Отсюда получаем, что на левом крае константы c уже не на что не влияют, так как

U М = 0 и остается только найти Y*(0) из выражения:

U Y*(0) = u.

Но матрица U имеет размерность 4х8 и её надо дополнить до квадратной невырожденной, чтобы найти вектор Y*(0) из решения соответствующей системы линейных алгебраических уравнений:

Y*(0) = ,

где 0 – любой вектор, в том числе вектор из нулей.

Отсюда получаем при помощи обратной матрицы:

Y*(0) = ,

Тогда итоговая формула для начала вычислений методом прогонки С.К.Годунова имеет вид:

Y(0) = Мс + .

8. Второй алгоритм для начала счета методом прогонки С.К.Годунова.

Этот алгоритм требует дополнения матрицы краевых условий Uдо квадратной невырожденной:

Начальные значения Y(0), Y(0), Y(0), Y(0), Y*(0) находятся из решения следующих систем линейных алгебраических уравнений:

Y*(0) = ,

Y(0) = , где i = , , , ,

где 0 – вектор из нулей размерности 4х1.

9. Замена метода численного интегрирования Рунге-Кутта в методе прогонки С.К.Годунова.

В методе С.К.Годунова как показано выше решение ищется в виде:

Y(x)= Y(x) c+ Y*(x).

На каждом конкретном участке метода прогонки С.К.Годунова между точками ортогонализации можно вместо метода Рунге-Кутта пользоваться теорией матриц и выполнять расчет через матрицу Коши:

Y(x) = K(x- x) Y(x).

Так выполнять вычисления быстрее, особенно для дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами.

И аналогично через теорию матриц можно вычислять и вектор Y*(x) частного решения неоднородной системы дифференциальных уравнений. Или для этого вектора отдельно можно использовать метод Рунге-Кутта, то есть можно комбинировать теорию матриц и метод Рунге-Кутта.

10. Метод половины констант.

Выше было показано, что решение системы линейных обыкновенных дифференциальных уравнений можно искать в виде только с половиной возможных векторов и констант. Была приведена формула для начала вычислений:

Y(0) = Мс + .

Из теории матриц известно, что если матрица ортонормирована, то её обратная матрица есть её транспонированная матрица. Тогда последняя формула приобретает вид:

Y(0) = Мс + Uu

или

Y(0) = Uu +Мс

или

Y(0) = ,

Таким образом записана в матричном виде формула для начала счета с левого края, когда на левом крае удовлетворены краевые условия.

Далее запишемVY(1) = vиY(1) = K(1←0) Y(0) + Y*(1←0) совместно:

V [ K(1←0) Y(0) + Y*(1←0) ] = v

V K(1←0) Y(0) = v - VY*(1←0)

и подставим в эту формулу выражение для Y(0):

V K(1←0) = v - VY*(1←0).

V K(1←0) = p.

Таким образом мы получили выражение вида:

D = p,

где матрица D имеет размерность 4х8 и может быть естественно представлена в виде двух квадратных блоков размерности 4х4:

= p.

Тогда можем записать:

D1 u + D2 c = p.

Отсюда получаем, что:

c = D2 ( p - D1 u )

Таким образом, искомые константы найдены.

Далее показано как применять этот метод для решения «жестких» краевых задач.

Запишем

V K(1←0) = p.

совместно с K(1←0) = K(1←x2) K(x2←x1) K(x1←0) и получим:

V K(1←x2) K(x2←x1) K(x1←0) = p.

Эту систему линейных алгебраических уравнений можно представить в виде:

[ V K(1←x2) ] { K(x2←x1) K(x1←0) } = p.

[ матрица] { вектор} = вектор

[ V K(1←x2) ] { K(x2←x1) K(x1←0) } = p.

И так далее.

В итоге поочередного вычленений матриц слева из вектора и ортонормирования получим систему:

D = p,

Отсюда получаем, что:

c = D2 (p - D1 u)

Таким образом, искомые константы найдены.

11. Применяемые формулы ортонормирования.

12. Вывод формул, позаимствованный из «Теории матриц» Гантмахера.

ЛИТЕРАТУРА

Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. – М.: Наука, 1988. – 548 с. Березин И.С., Жидков Н.П. Методы вычислений, том II, Государственное издательство физико-математической литературы, Москва, 1962 г., 635 с.