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前向後項差分和顯式隱式尤拉法

摘要:
本文主要介紹前向後向差分,顯式隱式尤拉法及其穩定性分析。
前向差分對應顯式方法,後向差分對應隱式方法。顯式尤拉法是比較流行的顯式方法,隱式尤拉法是比較流行的隱式方法。
顯式尤拉法條件穩定,對積分步長有要求,隱式尤拉法無條件穩定,對積分步長無要求(理論上如此,但實際使用中對積分步長仍然有要求,只是比顯式尤拉寬鬆)。

1. 前向差分與後向差分

設一元函式函式y(t)離散化為一系列的點,y0,y1,...,yn,yn+1,yn+2,...,其中,yn=f(tn), tn=tn1+h, 稱h為步長。

1.1 前向差分(Forward Difference)

  1. 前向差分的定義:
    ynyn+1yn.

    之所以稱之為前向差分,是因為當前時刻的差分yn,是下一時刻位置yn+1(時間向前前進一步)與當前時刻位置yn之差。
  2. 高階前向差分
    根據上式遞迴可得k階前向差分公式為:kyn=k1yn+1k1yn.
    例如,二階前向差分公式為:
    2yn=2n
       =(n)
       =(yn+1yn)
       =n+1n
       =yn+22yn+1+yn

1.2 後向差分(Backward Difference)

  1. 後向差分定義:ynynyn1.
    由定義可以看出,當前時刻的差分,是當前時刻的位置與前一時刻的位置之差。
  2. 高階後向差分
    同上,k階後向差分公式為:
    k
    yn=k1ynk1yn1.

    因此,二階後向差分公式為:2yn=yn2yn1+yn2.

1.3 差商和導數

  1. 差商就是差分除以步長,即,ynh.
  2. 在數值計算中,需要以差商代替導數,即,yn=ynh.
    • 如果使用前向差分,則為顯式方法,例如,fn=yn+1ynh.
    • 如果使用後向差分,則為隱式方法,例如,yn=ynyn1h.

2. 顯式尤拉和隱式尤拉

設有一階常微分方程dydt=f(t,y).很多時候我們無法求出函式y的解析解,只能通過數值方法逼近,即,將時間離散為一系列的點

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