非线性发展方程的有限差分方法
Hopf-Cole 变换与高阶差分格式
Hopf-Cole 变换
令
则有
将上式代入 (1.1), 得到
即
或
上式又可以写成
因而
可以将上式写成
上式两边同乘以 , 则可得到
则
即对于任意 , 不影响
. 因而取
. 于是得到如下等价问题
其中
称 (1.66) 为 Hopf-Cole 变换.
差分格式的建立
下面给出几个带积分余项的数值微分公式.
引理 记
.
(a) 设 , 有
(b) 设 , 有
(c) 设 , 有
设 定义平均值算子
:
设 存在解
. 定义网格函数
由 (1.67) 和 (1.69) 可得
在点 处考虑方程 (1.67), 有
应用引理 , 可得
其中
用算子 作用上述等式的两边, 得
应用引理 并注意到 (1.71)-(1.72), 得到
存在常数 使得
注意到初值条件
在 (1.73)-(1.75) 中略去小量项, 对 (1.67)-(1.69) 建立如下差分格式
差分格式解的存在性和唯一性}
引理 设
, 则有
证明 由
得到
易知
由
易得
定义 上的范数
由引理 知
和
等价.
定理 差分格式 (1.78)-(1.81) 的解是存在唯一的.
证明 第 0 层的值 是由(1.81)给定. 设已得到第
层的值
, 则由 (1.78)-(1.80) 可得关于第
层值
的线性方程组. 考虑其齐次方程组
用 与
相乘, 用
与
相乘, 用
与
相 乘, 并将所得结果相加, 得
由上式易得
因而
即 只有零解. 于是
唯一确定
.
差分格式解的收敛性
定理 设
是问题 (1.67)-(1.69) 的解,
是差分格式
的解. 令
则存在常数 使得
证明 将 (1.73)-(1.75), (1.77) 和 (1.78)-(1.81) 相减, 得到误差方程组
相乘, 并将结果相加, 得到
即
对上式右端用 Cauchy-Schwarz 不等式, 并应用引理 , 得
两边约去 得到
因而
由 和
, 得到
再次应用引理 , 得
(II) 用 与
相乘, 用
与 (1.89) 相乘, 用
与 (1.90) 相乘, 并将结果相加, 得
即
因而
递推可得
于是
(III) 由 和引理 1.1(b) 得
原问题解的计算
设 , 则存在常数
使得
由变换 (1.66) 有
利用 可得
存在常数 使得
在 (1.95)-(1.97) 中略去小量项, 得到如下计算格式
利用定理 的结果可以证明
小结与延拓
本章讨论了 Burgers 方程的差分方法. 首先证明了问题 (1.1)-(1.3) 的解满足 能量守恒性. 接着在 节和
节分别介绍了二层非线性差分格式和三层线性化差分格式. 证明了差分格式解的存在性、唯一性、有界性和收敛性. 三层线性化差 分格式的有关结果主要取材于 [30].
对于问题 (1.1)-(1.3) 可建立如下二层线性化差分格式
可以证明差分格式 (1.102)-(1.104) 是唯一可解的, 在无穷范数下关于时间步长和空 间步长均是二阶收玫的.
文 [39] 研究了二维 Burgers 方程的二阶差分方法.
应用 Hopf-Cole 变换可将 Burgers 方程的初边值问题 (1.1)-(1.3) 变为线性的热传导方程的初边值问题 (1.67)-(1.69). 对 , 我们建立了紧致差分格 式
证明了 (1.78)-(1.81) 解的存在性和唯一性以及解在无穷范数下关 于时间步长 2 阶、空间步长 4 阶的收敛性. 如果在 (1.78)-(1.81) 中用单位算子
代替平均值算子
, 得到如下格式
该差分格式是唯一可解的, 在无穷范数下关于时间步长和空间步长均是二阶收 敛的.
我们借助于 Browder 定理证明了非线性方程组 (1.19)-(1.20) 解的存在性. 与 Browder 定理相伴的还有一个 Leray-Schauder 定理 [43]. 设 是一个有限维内积空间,
是导出范数. 考虑
的算子
, 其中
为参数. 如果
满足如下条件:
(a) 是
上的连续算子;
(b) 有唯一解;
(c) 的一切可能解有一致的界,
则对任意 存在解. 特别地,
存在解.
现在用上述结论来证明定理 , 即证明
存在解.
令 对任意的
, 定义
易知 (a) 是连续的; (b)
是一个严格对角 占优的三对角线性方程组, 故有唯一解. 现在来检验 (c). 设
是
可能 的解. 用
和
作内积, 得
利用
得
于是
易知
条件 (c) 满足. 由 Leray-Schauder 定理. (1.19)-(1.20) 存在解.