Быстрый поиск

Учебное пособие: Методы решения краевых задач, в том числе "жестких" краевых задач

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

Этот метод еще не обсчитан на компьютерах.

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 m и t неизвестны.

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

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:

[ ∙ 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

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:

[[ ∙ 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

Эта формула обсчитана на компьютерах в кандидатской диссертации.

Рассмотрим проблему метода прогонки С.К.Годунова.

редположим, 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 c это 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 U∙Y(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:

U∙Y(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: