3 Πρόβλημα δύο σημείων

3.4 Μέθοδος ενέργειας

Στο Θεώρημα 3.2 είδαμε ότι αν qmin>0, τότε μπορούμε να δείξουμε ότι τα Ui που ικανοποιούν την (3.6)–(3.7) συγκλίνουν στις u⁢(xi), i=0,…,N+1, όπου u η ακριβής του (3.1). Σε αυτή την παράγραφο θα δούμε μια διαφορετική απόδειξη της παραπάνω σύγκλισης, όπου qmin μπορεί να μηδενίζεται. Επίσης, αυτή η ανάλυση μας επιτρέπει να δείξουμε εκτιμήσεις σφάλματος παρόμοιες με την (3.21) για προβλήματα συνοριακών τιμών με διαφορετικές συνοριακές συνθήκες, όπως π.χ. με συνθήκες Neumann.

Συμβολίζουμε τώρα με ℝ0N+2 τα διανύσματα του ℝN+2 όπου η πρώτη και τελευταία συνιστώσα να είναι ίση με μηδέν, θεωρούμε το εσωτερικό γινόμενο (⋅,⋅)h στον ℝ0N+2, το οποίο ορίζεται ως

(V,W)h=h⁢∑i=1NVi⁢Wi, με ⁢V,W∈ℝ0N+2, (3.23)

και την αντίστοιχη νόρμα ∥⋅∥h,

∥V∥h=(h⁢∑i=1N|Vi|2)1/2,V∈ℝ0N+2. (3.24)

Ακόμα, θεωρούμε και τη νόρμα |⋅|1,h, στον ℝ0N+2

|V|1,h=(h⁢∑i=0N|Vi+1-Vih|2)1/2,V∈ℝ0N+2. (3.25)

Το ότι η |⋅|1,h ορίζει μια νόρμα στον ℝ0N+2 μπορούμε εύκολα να το δούμε, επαληθεύοντας τις ιδιότητες (3.19), βλ. Άσκηση 3.1.

Παρατήρηση 3.3.

Από το γεγονός ότι η (⋅,⋅)h είναι ένα εσωτερικό γινόμενο και ∥⋅∥h η αντίστοιχη νόρμα, έχουμε ότι ισχύει η ανισότητα Cauchy–Schwarz

|(V,W)h|≤∥V∥h⁢∥W∥h,∀V,W∈ℝ0N+2. (3.26)

Στη συνέχεια, θα δείξουμε ανισότητες οι οποίες συνδέουν τις νόρμες (3.24) και (3.25) με τη νόρμα μεγίστου που χρησιμοποιήσαμε στην προηγούμενη παράγραφο.

Λήμμα 3.3.

Αν V∈ℝ0N+2, τότε ισχύουν οι ακόλουθες ανισότητες

∥V∥h ≤b-a⁢max0≤i≤N+1⁡|Vi|, (3.27)
max0≤i≤N+1⁡|Vi| ≤b-a⁢|V|1,h, (3.28)
∥V∥h ≤(b-a)⁢|V|1,h. (3.29)
Απόδειξη.

Επειδή (N+1)⁢h=(b-a), εύκολα μπορούμε να δούμε ότι ισχύει η πρώτη ανισότητα (3.27). Για να δείξουμε τη δεύτερη ανισότητα (3.28), παρατηρούμε ότι για V∈ℝ0N+2 και j=1,…,N, έχουμε

|Vj|2=|∑i=0j-1Vi+1-Vi|2≤j⁢∑i=0j-1|Vi+1-Vi|2≤(N+1)⁢∑i=0N|Vi+1-Vi|2=(N+1)⁢h2⁢∑i=0N|Vi+1-Vih|2=(b-a)⁢h⁢∑i=0N|Vi+1-Vih|2≤(b-a)⁢|V|1,h2. (3.30)

Τελικά, συνδυάζοντας τις (3.27) και (3.28), παίρνουμε την τελευταία ανισότητα, (3.29). ∎

Παρατήρηση 3.4.

Λόγω του Λήμματος 3.3 και του Θεωρήματος 3.1 μπορούμε εύκολα να δούμε ότι αν θέσουμε U∈ℝ0N+2 με U=(U0,U1,…,UN+1)T και Ui, i=0,…,N+1, τη λύση των (3.6)–(3.7) τότε

∥U∥h≤C⁢b-a⁢maxx∈[a,b]⁡|f⁢(x)|, (3.31)

όπου C είναι η σταθερά της (3.20). Επίσης, αν E∈ℝ0N+2 με E=(E0,E1,…, EN+1)T και Ei=Ui-u⁢(xi), i=0,…,N+1, τότε από το Θεώρημα 3.2 έχουμε

∥E∥h≤C⁢h2⁢b-a, (3.32)

όπου C είναι τώρα η σταθερά της (3.21).

Στη συνέχεια, θα δείξουμε ότι η εκτίμηση σφάλματος (3.21) ισχύει και στην περίπτωση που qmin=0. Θα θεωρήσουμε τώρα την απεικόνιση Δh:ℝ0N+2→ℝ0N+2, η οποία ορίζεται ως

Δh⁢Vi≡(Δh⁢V)i={Vi+1-2⁢Vi+Vi-1h2,i=1,…,N,0,i=0,N+1, (3.33)

για την οποία ισχύει το ακόλουθο λήμμα.

Λήμμα 3.4.

Για V,W∈ℝ0N+2 έχουμε

-(Δh⁢V,W)h=h⁢∑i=0NVi+1-Wih⁢Wi+1-Wih. (3.34)
Απόδειξη.

Από τον ορισμό της (⋅,⋅)h, αλλάζοντας τη μεταβλητή στη σειρά άθροισης και χρησιμοποιώντας το γεγονός ότι W0=WN+1=0, παίρνουμε

(Δh⁢V,W)h =h⁢∑i=1NVi+1-2⁢Vi+Vi-1h2⁢Wi
=h⁢{∑i=1NVi-1-Vih2⁢Wi-∑i=1NVi-Vi+1h2⁢Wi}
=h⁢{∑i=0N-1Vi-Vi+1h2⁢Wi+1-∑i=1NVi-Vi+1h2⁢Wi}
=h⁢{∑i=0NVi-Vi+1h2⁢Wi+1-∑i=0NVi-Vi+1h2⁢Wi}
=-h⁢∑i=0NVi+1-Vih⁢Wi+1-Wih.

∎

Στη συνέχεια, αποδεικνύουμε ένα παρόμοιο αποτέλεσμα με το Θεώρημα 3.2, όπου τώρα η συνάρτηση q επιτρέπεται να λαμβάνει και μηδενικές τιμές.

Θεώρημα 3.3.

Έστω U∈ℝ0N+2 με U=(U0,U1,…,UN+1)T, Ui, i=0,…,N+1, η λύση του προβλήματος (3.6)–(3.7), όπου qmin≥0, και u η λύση του προβλήματος (3.1), με u∈C4⁢[a,b]. Τότε υπάρχει σταθερά C, ανεξάρτητη του h, τέτοια ώστε

max0≤i≤N+1⁡|Ui-u⁢(xi)| ≤C⁢h2. (3.35)
Απόδειξη.

Χρησιμοποιώντας τον ορισμό της απεικόνισης Δh, εύκολα βλέπουμε ότι η εξίσωση σφάλματος (3.22) μπορεί να γραφεί ως

-Δh⁢Ei+q⁢(xi)⁢Ei=ηi,i=1,…,N.

Στη συνέχεια, πολλαπλασιάζοντας με Ei κάθε εξίσωση και αθροίζοντας, παίρνουμε

-(Δh⁢E,E)h+h⁢∑i=1Nq⁢(xi)⁢|Ei|2=(η,E)h, (3.36)

όπου E,η∈ℝ0N+2 τα διάνυσματα με συνιστώσες E0, E1, …, EN+1 και η0, η1, …, ηN+1, αντίστοιχα.

Μπορούμε να παρατηρήσουμε ότι λόγω του Λήμματος 3.4, έχουμε

-(Δh⁢V,V)h=|V|1,h2,∀V∈ℝ0N+2. (3.37)

Χρησιμοποιώντας τώρα την (3.37) και το γεγονός ότι qmin≥0, η (3.36) δίνει

|E|1,h2≤|E|1,h2+h⁢∑i=1Nq⁢(xi)⁢|Ei|2=(η,E)h≤∥η∥h⁢∥E∥h. (3.38)

Επομένως, εφαρμόζοντας την (3.29) στην (3.38), παίρνουμε

|E|1,h≤(b-a)⁢∥η∥h,

από όπου, λόγω της (3.28), προκύπτει

max0≤i≤N+1⁡|Ei|≤(b-a)3/2⁢∥η∥h.

Στη συνέχεια, λόγω του Λήμματος 3.1, είναι απλό να δούμε ότι

∥η∥h≤C⁢h2,

όπου η σταθερά C είναι ανεξάρτητη του h. Συνεπώς, συνδυάζοντας τις δύο τελευταίες ανισότητες παίρνουμε τη ζητούμενη (3.35). ∎

Παρατήρηση 3.5.

Εύκολα βλέπουμε ότι, αν η συνάρτηση q επιτρέπεται να λαμβάνει και μηδενικές τιμές, τότε λόγω του Θεωρήματος 3.3 και του Λήμματος 3.3, ισχύει η εκτίμηση σφάλματος (3.32).