О линейном алгоритме численного решения краевой задачи для простейшего волнового уравнения

 pdf (296K)

Решение краевой задачи для простейшего волнового уравнения, заданной в прямоугольнике, допускает представление в виде суммы двух слагаемых. Они являются решениями двух краевых задач: в первом случае граничные функции постоянны, а во втором начальные функции имеют специальный вид. Подобная декомпозиция позволяет применять для численного решения обеих задач двумерные сплайны. Первая задача исследована ранее, получен экономичный алгоритм ее численного решения.
Для решения второй задачи определено конечномерное пространство сплайнов лагранжевого типа, а в качестве решения предложен оптимальный сплайн, дающий наименьшую невязку. Для коэффициентов этого сплайна и для его невязки получены точные формулы. Формула для коэффициентов сплайна представляет собой линейную форму от исходных конечных разностей, заданных на границе.
Формула для невязки представляет собой сумму двух простых слагаемых и двух положительно определенных квадратичных форм от новых конечных разностей, заданных на границе. Элементы матриц форм выражаются через многочлены Чебышёва, обе матрицы обратимы и таковы, что обратные к ним матрицы имеют трехдиагональный вид. Эта особенность позволяет получить для спектра матриц верхние и нижние оценки и показать, что невязка стремится к нулю с ростом размерности численной задачи. Данное обстоятельство обеспечивает корректность предлагаемого алгоритма численного решения второй задачи, обладающего линейной сложностью вычислений.

Ключевые слова: волновое уравнение, интерполяция, аппроксимирующий сплайн, трехдиагональная матрица, многочлены Чебышёва
Цитата: Вестник Удмуртского университета. Математика. Механика. Компьютерные науки, 2015, т. 25, вып. 1, с. 126-144
DOI: 10.20537/vm150114

On the linear algorithm of numerical solution of a boundary value problem for a simple wave equation

The solution of a boundary value problem for a simple wave equation defined on a rectangle can be represented as a sum of two terms. They are solutions of two boundary value problems: in the first case, the boundary functions are constant, while in the second the initial functions have a special form. Such decomposition allows to apply two-dimensional splines for the numerical solution of both problems. The first problem was studied previously, and an economical algorithm of its numerical solution was developed.
To solve the second problem we define a finite-dimensional space of splines of Lagrangian type, and recommend an optimal spline giving the smallest residual as a solution. We obtain exact formulas for the coefficients of this spline and its residual. The formula for the coefficients of this spline is a linear form of initial finite differences defined on the boundary.
The formula for the residual is a sum of two simple terms and two positive definite quadratic forms of new finite differences defined on the boundary. Elements of matrices of forms are expressed through Chebyshev polynomials, both matrices are invertible and have the property that their inverses matrices are of tridiagonal form. This feature allows us to obtain upper and lower bounds for the spectrum of matrices, and to show that the residual tends to zero when the numerical problem dimension increases. This fact ensures the correctness of the proposed algorithm of numerical solution of the second problem which has linear computational complexity.

Keywords: wave equation, interpolation, approximate spline, tridiagonal matrix, Chebyshev polynomials
Citation in English: Bulletin of Udmurt University. Mathematics, Mechanics, Computer Science, 2015, vol. 25, issue 1, pp. 126-144

Журнал индексируется в Web of Science (Emerging Sources Citation Index)

Журнал индексируется в Scopus

Журнал входит в базы данных zbMATH, MathSciNet

Журнал включен в базу данных Russian Science Citation Index (RSCI) на платформе Web of Science

Журнал включен в перечень ВАК.

Электронная версия журнала на Общероссийском математическом портале Math-Net.Ru.

Журнал включен в Crossref