شرایط اولیه

Download Report

Transcript شرایط اولیه

‫به نام خدا‬
‫سمینار درس روشهای‬
‫عددی‬
‫عنوان‪ :‬روش های بسط‬
‫سری‬
‫‪1‬‬
‫ارایه‪ :‬وحید‬
‫اناری‬
‫مقدمه‬
‫‪2‬‬
‫مبانی روش های بسط سری بر اساس حل معادله‬
‫زیر شرح داده می شود‪:‬‬
‫معادله مشتق جزئی‪:‬‬
‫‪f‬‬
‫(که در آن ‪ H‬اپراتور مشتق‬
‫‪ H( f )  0‬‬
‫‪t‬‬
‫است‪).‬‬
‫ئط مرزی و اولیه زیر حل شود‪:‬‬
‫شرایط اولیه‪:‬‬
‫)‪f ( x, t0 )  f 0 ( x‬‬
‫می بایست شرایط مرزی داده شده را نیز برقرار کند‪.‬‬
‫روش بسط سری‬
‫‪3‬‬
‫ایده اساس روش های بسط سری وابستگی فضایی تابع‬
‫به‬
‫یک‪ ‬ترکیب خطی از توابع معلوم‬
‫‪ f‬و‬
‫) ‪i (x‬‬
‫عنوان توابع بسط دهنده می باشد‪.‬‬
‫‪‬‬
‫)‪f ( x, t )   ai (t )i ( x‬‬
‫‪i 1‬‬
‫‪‬‬
‫توابع‪i ( x‬‬
‫‪)i 1‬‬
‫‪L2‬‬
‫می بایست فضای‬
‫را بگسترانند‪ (.‬یک فضای هیلبرت با تعریف ضرب‬
‫داخلی توابع)‬
‫*‬
‫‪g , f   g ( x) f ( x)dx‬‬
‫‪S‬‬
‫دهنده می بایست شرایط مرزی را برقرار کنند‪.‬‬
‫روش بسط سری‬
‫‪4‬‬
‫در روش های عددی محاسبه مجموع تعداد نامحدود‬
‫ممکن نیست‪ ،‬پس توابع بسط را به ‪ N‬تابع‬
‫‪N‬‬
‫محدود می کنیم‪:‬‬
‫)‪fˆ ( x, t )   ai (t )i ( x‬‬
‫‪i 1‬‬
‫ضرائب‬
‫یافتن( ‪a1‬‬
‫به‪t ),...,aN‬‬
‫در نتیجه حل معادله ) ‪(t‬‬
‫در ادامه هدف کاهش خطای تقریب فوق است‪.‬‬
‫روش بسط سری‬
‫‪5‬‬
‫در راه حل‬
‫واقعی خطای‬
‫اگرچه مقدار‬
‫ˆ‪f  f‬‬
‫تقریبی قابل محاسبه نمی باشد‪ ،‬راه های عملی‬
‫خطای باقیمانده می‬
‫برای حداقل کردن خطایی که ˆ‬
‫‪f‬‬
‫‪‬‬
‫‪f‬‬
‫‪ H( f )  0‬‬
‫>=<‬
‫باشد وجود دارد‪ H ( fˆ )  R( fˆ ):‬‬
‫‪t‬‬
‫‪t‬‬
‫تابع‬
‫معادله را از ˆ‪f‬‬
‫حالت تساوی خارج میکند‪R = .‬‬
‫روش های حداقل کردن خطا‪:‬‬
‫‪1.) minimise the l2-norm of R‬‬
‫‪2.) collocation strategy‬‬
‫‪3.) Galerkin approximation‬‬
‫)‪.‬شرح در اسالید های بعدی(‬
‫هریک از روش های فوق به یک دستگاه معادالت‬
‫‪N‬تایی از معادالت دیفرانسیل معمولی از‬
‫توابع زمانی ‪ ai(t), i=1,…,N‬منتهی می شوند‪.‬‬
‫روش بسط سری‬
‫‪6‬‬
‫روش های محدود کردن مقدار باقیمانده‪:‬‬
‫محاسبه )‪ai(t‬‬
‫‪1.) Minimisation of the l2-norm of the residual‬‬
‫بطوریکه نرم ‪ 2‬زیر حداقل شود‪:‬‬
‫‪1/ 2‬‬
‫‪S R ( fˆ ( x))  R( fˆ ( x))dx‬‬
‫*‬
‫‪ ‬‬
‫‪‬‬
‫‪1/ 2‬‬
‫) ˆ‪R( fˆ )  R( fˆ ), R( f‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2.) Collocation method‬‬
‫محدود کردن باقیمانده بطوریکه در نقاط گسسته‬
‫ای از شبکه تعریف شده صفر باشد‪.‬‬
‫‪R( fˆ ( xi ))  0 for all i  1,...,N‬‬
‫‪3.) Galerkin approximation‬‬
‫ملزم کردن ‪، R‬تابع باقیمانده به عمود بودن به‬
‫تابع‪.‬‬
‫هریک از توابع استفاده شده در بسط‬
‫‪for all i  1,..., N .‬‬
‫‪i , R( fˆ )   R( fˆ ( x))   * ( x)dx  0‬‬
‫‪i‬‬
‫‪S‬‬
‫روش بسط سری‬
‫‪7‬‬
‫له (‪ )1‬به فرم بسط سری‪:‬‬
‫ˆ‪f‬‬
‫) ˆ‪ H ( fˆ )  R( f‬‬
‫‪t‬‬
‫شروع کار با معادله روبرو‬
‫است که معادل رابطه (‪ )1‬است‪:‬‬
‫بسط در معادله و استفاده از روش گلرکین‪:‬‬
‫‪for all j  1,..., N‬‬
‫ˆ ‪‬‬
‫‪f   j , H ( fˆ )   j , R( fˆ )  0‬‬
‫‪t‬‬
‫‪j,‬‬
‫)تقریب گلرکین( ‪=0‬‬
‫‪for all j  1,..., N‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪N‬‬
‫‪da‬‬
‫*‬
‫*‬
‫‪i‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪dx‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪aii )dx  0‬‬
‫‪S j i dt S j H (‬‬
‫‪i 1‬‬
‫‪N‬‬
‫‪i 1‬‬
‫>=‬
‫روش بسط سری‬
‫‪8‬‬
‫اولیه در روش بسط سری‪:‬‬
‫)‪(2‬‬
‫شرایط اولیه‪:‬‬
‫)‪f ( x, t0 )  f 0 ( x‬‬
‫‪N‬‬
‫)‪f ( x, t0 )   ai (t0 )i ( x)  r  f 0 ( x‬‬
‫‪i 1‬‬
‫) ‪ fˆ ( x, t0‬‬
‫ضرایب‪ai (t0 ), i ‬‬
‫محاسبه ‪1,...,N ,‬‬
‫بطوریکه‬
‫‪f 0 ( x).‬‬
‫) ‪fˆ ( x, t0‬‬
‫بهترین تقریب از شرایط‬
‫اولیه‬
‫باشد‪.‬محدودیت روش گلرکین بر‬
‫تکنیک دیگر اعمال‬
‫باقیمانده ‪ R‬است بطوریکه ‪ r‬را حداقل کند‪.‬‬
‫)‪ j , f ( x, t0 )   j , fˆ ( x, t0 )   j , r   j , f 0 ( x‬‬
‫‪for all j=1,…, N.‬‬
‫)تقریب گلرکین( ‪=0‬‬
‫‪afi(ˆ(tx0,)t0)i 1,. .,N‬‬
‫روش بسط سری‬
9
:‫شرایط اولیه‬
 j , i 1 ai (t0 )i   j , f 0
N
for all j=1,…, N.
N
*
*
a
(
t
)

(
x
)

(
x
)
dx


 i 0 j i
 j ( x) f 0 ( x)dx for all j=1,…, N.
S
i 1
S
 w j ,i
=>


W  a (t0 )  f 0
 f0 j
‫روش بسط سری‬
‫‪10‬‬
‫ی از معادالت بدست آمده ‪:‬‬
‫دله دیفرانسیل(‪:)1‬‬
‫‪for all j  1,..., N‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪N‬‬
‫‪dai‬‬
‫*‬
‫‪aii )dx  0‬‬
‫‪S   i dx  dt  S  j H (‬‬
‫‪i 1‬‬
‫*‬
‫‪j‬‬
‫شرایط اولیه‪:‬‬
‫‪for all j  1,..., N‬‬
‫‪     dx  a (t )    ( x) f ( x)dx‬‬
‫‪N‬‬
‫‪0‬‬
‫*‬
‫‪j‬‬
‫‪S‬‬
‫‪0‬‬
‫‪i‬‬
‫‪i‬‬
‫*‬
‫‪j‬‬
‫‪S‬‬
‫شرایط‬
‫مرزی‪:‬‬
‫کلیه توابع بسط دهنده باید‬
‫شرایط مرزی معادله را برقرار کنند‪.‬‬
‫تقریب پاسخ‬
‫‪i 1‬‬
‫‪N‬‬
‫‪i 1‬‬
‫روش بسط سری‬
‫‪11‬‬
‫آنچه تا کنون بدست آمده است‪:‬‬
‫‪ ‬تبدیل معادله مشتق جزیی به یک دسته معادله دیفرانسیل معمول‬
‫‪ ‬مزیت اصلی روش بسط سری در انتخاب توابع بسط دهنده بر اساس‬
‫تابع ‪ H‬وشرایط مرزی مساله می باشد‬
‫اپراتور ‪ H‬را بدانیم‬
‫به عنوان مثال اگر توابع‬
‫ویژه‪H (ei )  i e‬‬
‫‪i‬‬
‫و آنها را به عنوان توابع بسط دهنده انتخاب کنیم مساله به شکل‬
‫‪for all j  1,..., N‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪N‬‬
‫‪dai‬‬
‫*‬
‫‪aii )dx  0‬‬
‫‪S   i dx  dt  S  j H (‬‬
‫‪i 1‬‬
‫‪for all j  1,..., N‬‬
‫‪‬‬
‫*‬
‫‪j‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪ dai‬‬
‫‪‬‬
‫*‬
‫‪‬‬
‫‪ S e j ei dx   dt  i ai   0‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪i 1 ‬‬
‫‪N‬‬
‫‪N‬‬
‫‪i 1‬‬
‫روش بسط سری‬
‫اگر توابع‬
‫‪12‬‬
‫‪ ei‬متعامد و نرمالیزه باشند‪:‬‬
‫‪e j , ei   e*j ( x)ei ( x)dx   j ,i‬‬
‫‪S‬‬
‫‪1 for i  j‬‬
‫‪0 for i  j‬‬
‫‪ i, j ‬‬
‫‪where‬‬
‫مجموعه معادالت (‪ )12‬به ‪ N‬معادله دیفرانسیل‬
‫معمولی مستقل برای ضرایب ‪ a‬که توابعی از زمان‬
‫هستند تبدیل می شود‪.‬‬
‫‪d‬‬
‫‪a j (t )   j a j (t )  0 for all j  1,..., N‬‬
‫‪dt‬‬
‫این معادالت بطور تحلیلی‬
‫قابل حل هستند!!!‬
‫روش های ‪The Spectral Method‬‬
‫‪13‬‬
‫طیفی‬
‫طیفی را از سایر روش های بسط‬
‫ویژگی که روش های‬
‫سری متمایز می کند ‪:‬‬
‫متعامد هستند‪.‬‬
‫توابع بسط دهنده یک مجموعه‬
‫*‬
‫‪ i ( x)  j ( x)dx  wi i, j‬‬
‫‪S‬‬
‫حالت دستگاه معادالت به شکل زیر‬
‫ساده میشود‬
‫‪for all j  1,..., N‬‬
‫‪N‬‬
‫‪  H ( a  )dx‬‬
‫‪i‬‬
‫‪i‬‬
‫‪i 1‬‬
‫*‬
‫‪j‬‬
‫‪S‬‬
‫‪da j‬‬
‫‪1‬‬
‫‪‬‬
‫‪dt‬‬
‫‪wj‬‬
‫در این حالت معادالت صریحی بر حسب ‪ a j‬بدست می آید‬
The Spectral Method ‫روش های‬
14
:‫طیفیزیر ساده می شوند‬
‫شرایط اولیه به شکل‬
1
*
a j (t0 ) 

for all j  1,..., N
j ( x) f 0 ( x)dx

wj S
<=>
Where


a (t0 )   f 0
i, j 
1
wi
for i  j
0
for i  j
‫روش های ‪The Spectral Method‬‬
‫‪15‬‬
‫طیفی معادله (‪:)1‬‬
‫خالصه ای از توصیف‬
‫طیفی‬
‫انتخاب توابع بسط دهنده از یک‬
‫مجموعه متعامد‪:‬‬
‫‪ * ( x)   ( x)dx  w ‬‬
‫‪i i, j‬‬
‫‪i‬‬
‫‪j‬‬
‫‪‬‬
‫‪S‬‬
‫معادله دیفرانسیل زیر‪:‬‬
‫‪for all j  1,...,N‬‬
‫‪N‬‬
‫‪  H ( a  )dx‬‬
‫‪i‬‬
‫‪i‬‬
‫*‬
‫‪j‬‬
‫‪i 1‬‬
‫‪S‬‬
‫‪daj‬‬
‫‪1‬‬
‫‪‬‬
‫‪dt‬‬
‫‪wj‬‬
‫شرایط اولیه‪:‬‬
‫‪for all j  1,..., N‬‬
‫شرایط مرزی‪:‬‬
‫‪  ( x) f ( x)dx‬‬
‫‪0‬‬
‫*‬
‫‪j‬‬
‫‪S‬‬
‫‪1‬‬
‫‪wj‬‬
‫‪a j (t0 ) ‬‬
‫کلیه توابع بسط باید شرایط مرزی را ارضا کنند‪.‬‬
‫نتیجه این انتخاب برقرار بوذن شرایط مرزی توسط پا‬
16
The Spectral Method ‫روش های‬
‫طیفی‬
‫انتخاب خانواده توابع متعامد بسط دهنده وابسته به‬
‫ شکل هندسی فضای پاسخ‬-1
‫ شرایط مرزی مسئله‬-2
:‫مثال‬
Rectangular domain with periodic boundary conditions: Fourier series
Non-periodic domains: (maybe) Chebyshev polynomials
Spherical geometry: spherical harmonics
‫روش های ‪The Spectral Method‬‬
‫مثال ‪:1‬‬
‫بعدی‬
‫همرفتی حرارت یک‬
‫معادله‬
‫طیفی‬
‫سرعت انتقال ‪: u‬ثابت‬
‫)دامنه مسئله(‬
‫)شرایط مرزی متناوب(‬
‫‪f‬‬
‫‪f‬‬
‫‪u‬‬
‫‪0‬‬
‫‪t‬‬
‫‪x‬‬
‫‪0  x  2‬‬
‫) ‪f ( x, t )  f ( x  n  2 , t‬‬
‫‪‬‬
‫‪H‬‬
‫‪u‬‬
‫‪ H‬تابع‬
‫اپراتور‬
‫در این مساله‬
‫‪x‬‬
‫‪17‬‬
‫توابع بسط دهنده را توابع ویژه اپراتور ‪ H‬در نظر م‬
‫‪ imx‬‬
‫‪e  imeimx‬‬
‫‪x‬‬
‫روش های ‪The Spectral Method‬‬
‫‪18‬‬
‫همرفتی حرارت یک‬
‫مثال ‪ :1‬معادلهطیفی‬
‫یه بعدی(‬
‫ادامه)اپراتور مشتق هستند‪:‬‬
‫توابع ویژه‬
‫‪ imx‬‬
‫‪e  ime imx‬‬
‫‪x‬‬
‫متعامد نیز هستند‪:‬‬
‫‪2‬‬
‫‪einx , eimx   e inx eimx dx  2  n ,m‬‬
‫‪0‬‬
‫پس تابع ‪ f‬را با یک سری محدود از آنها‪ M‬تقریب می ز‬
‫‪imx‬‬
‫‪a‬‬
‫(‬
‫‪t‬‬
‫)‬
‫‪e‬‬
‫‪ m‬‬
‫‪fˆ ( x, t ) ‬‬
‫‪m M‬‬
‫با اعمال تکنیک گلرکین به دستگاه معادالت زیر می ر‬
‫‪for all  M  m  M‬‬
‫) ‪dam (t‬‬
‫‪ i m  u  am (t )  0‬‬
‫‪dt‬‬
19
The Spectral Method ‫روش های‬
‫طیفی‬
‫همرفتی حرارت یک‬
‫ معادله‬:1 ‫مثال‬
)‫بعدی( ادامه‬
da m (t )
 i m  u  am (t )  0 for all  M  m  M
dt
:‫دالت به صورت تحلیلی حل می شوند‬
am (t )  am (0)  e  imut
f ( x, t ) 
M
 am (0)e
m M
:‫بی بصورت زیر خواهد بود‬
i mu t i m x
e

M
i m( x u t )
a
(
0
)
e
 f0 ( x  u  t)
 m
m M
‫روش های ‪The Spectral Method‬‬
‫غیر خطی‬
‫مثال ‪ :2‬معادلهطیفی‬
‫همرفتی حرارت یک بعدی‬
‫‪f‬‬
‫‪f‬‬
‫) ‪ u ( x, t‬‬
‫‪0‬‬
‫‪t‬‬
‫‪x‬‬
‫‪0  x  2‬‬
‫)دامنه پاسخ(‬
‫)‪f ( x,0)  f 0 ( x‬‬
‫)شرایط اولیه (‬
‫)شرایط اولیه متناوب(‬
‫‪20‬‬
‫) ‪f ( x, t )  f ( x  n  2 , t‬‬
‫تقریب پاسخ ‪ f‬به سری محدود فوریه و اعمال تکنیک‬
‫گلرکین‪:‬‬
‫‪2‬‬
‫‪M‬‬
‫‪im  am   u ( x, t )  ei ( m  k ) x dx‬‬
‫‪0‬‬
‫‪‬‬
‫‪m M‬‬
‫‪dak‬‬
‫‪1‬‬
‫‪‬‬
‫‪dt‬‬
‫‪2‬‬
21
The Spectral Method ‫روش های‬
‫طیفی‬
‫غیر خطی‬
‫ معادله‬:2 ‫مثال‬
‫ بعدی‬u‫یک‬
‫حرارت‬
‫همرفتی‬
f ‫بطور همزمان با تابع‬
‫تابع‬
‫اینکه‬
‫با فرض‬
M
:‫فوریه محدود زیر باشد‬
‫متناوب باشد و دارای بسط‬
u ( x, t )   un (t )  ein x
n M
dak
1

dt
2
<=>
M
M
 
m M n M
:‫آن در پاسخ بدست آمده‬
2
im  un (t )  am (t )   ei ( n  m  k ) x dx
dak

i  m  un (t )  am (t )

dt
n mk , m , n M
0
2   nm,k
Compact, but costly to
evaluate, convolution sum!
‫با‬
‫تشکر‬
‫از‬