4 Πρόβλημα δύο σημείων: Πεπερασμένα Στοιχεία

4.4 Υλοποίηση της μεθόδου Galerkin

Το βασικό πρόβλημα στην υλοποίηση της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων είναι η κατασκευή του πίνακα (και, κατά δεύτερο λόγο του δεξιού μέλους) του συστήματος Ac=F που προκύπτει από τη μέθοδο Galerkin. Δεδομένης της διαμέρισης a=x0<x1<<xN<xN+1=b του [a,b], θα αναφερόμαστε σε κάθε διάστημα Ie=[xe-1,xe], e=1,,N+1 ως πεπερασμένο στοιχείο. Το κάθε στοιχείο Ie έχει δύο κόμβους, τους xe-1 και xe, που αντιστοιχούν στους τοπικούς κομβικούς δείκτες j=0 και j=1, αντίστοιχα. Ο δείκτης κάθε στοιχείου και οι τοπικοί κομβικοί δείκτες καθορίζουν τον λεγόμενο καθολικό κομβικό δείκτη i κάθε κόμβου xi διαμέσου της απλής σχέσης

i=i(e,j)=e+j-1,e=1,2,,N+1,j=0,1.

Οι συναρτήσεις {ϕi}i=0N+1, η βάση του χώρου πεπερασμένων στοιχείων της προηγούμενης παραγράφου, μπορούν να περιγραφούν με έναν εξαιρετικά απλό και αποτελεσματικό τρόπο, για την κατασκευή του πίνακα A: συμβολίζουμε με ϕje, j=0,1, τον περιορισμό στο διάστημα [xe-1,xe] των συναρτήσεων ϕe-1,ϕe, αντίστοιχα, και αναφερόμαστε σε αυτές ως τις τοπικές συναρτήσεις βάσης. Αν τώρα,

Φ0(y)={1-yαν  0y10διαφορετικά,Φ1(y)={yαν  0y10διαφορετικά,

τότε

ϕje(x)=Φj(x-xe-1he),j=0,1,

όπου he=xe-xe-1. Ισοδύναμα, μπορούμε να αντιστοιχίσουμε σε κάθε διάστημα Ie=[xe-1,xe] τον ομοπαραλληλικό μετασχηματισμό x=hey+xe-1 και να ορίσουμε τις τοπικές συναρτήσεις βάσης ϕ0e,ϕ1e ως

ϕ0e(x)=Φ0(y),ϕ1e(x)=Φ1(x),ότανx=hey+xe-1.

Συνεπώς, αν v είναι μια συνάρτηση στον χώρο που παράγεται από τις συναρτήσεις {ϕi}i=0N+1, λαμβάνουμε την αναπαράσταση

v(x)=i=0N+1j=01vi(e,j)ϕje(x),

όπου έχουμε θέσει vi=v(xi). Ειδικώτερα, στο διάστημα (xe-1,xe) έχουμε

v(x)=ve-1ϕ0e(x)+veϕ1e(x). (4.42)

Ο συμβολισμός και οι παρατηρήσεις της προηγούμενης παραγράφου μας επιτρέπουν τώρα την εύκολη κατασκευή του πίνακα και του δεξιού μέλους των εξισώσεων της μεθόδου Galerkin. Στη γλώσσα των πεπερασμένων στοιχείων, η κατασκευή του πίνακα του συστήματος αναφέρεται ως συναρμολόγηση (assembly), ορολογία που δικαιολογείται από το γεγονός ότι

a(v,w)=eae(v,w),

όπου

ae(v,w)=Ievw+qvw=xe-1xe[v(x)w(x)+q(x)v(x)w(x)]dx,

για οποιεσδήποτε συναρτήσεις v,w του χώρου πεπερασμένων στοιχείων. Χρησιμοποιώντας την αναπαράσταση (4.42) και τον ομοπαραλληλικό μετασχηματισμό x(x-xe-1)/he, έχουμε διαδοχικά

ae(v,w)=xe-1xe(jvi(e,j)ϕje(x))(jwi(e,j)ϕje(x))dx+xe-1xeq(x)(jvi(e,j)ϕje(x))(jwi(e,j)ϕje(x))dx=1he01(jvi(e,j)Φj(y))(jwi(e,j)Φj(y))dy+he01q(xe-1+hey)(jvi(e,j)Φj(y))(jwi(e,j)Φj(y))dy.

Μπορούμε, τέλος, να γράψουμε την παραπάνω σχέση σε μορφή πίνακα επί διάνυσμα ως

ae(v,w)=1he[vi(e,0)vi(e,1)]Se[wi(e,0)wi(e,1)]+he[vi(e,0)vi(e,1)]Me[wi(e,0)wi(e,1)],

όπου Se είναι ο 2×2 τοπικός πίνακας ακαμψίας

Se=[01(Φ0)201Φ0Φ101Φ1Φ001(Φ1)2]=[1-1-11]

και Me είναι ο 2×2 τοπικός πίνακας μάζας

Me=[01q~e(Φ0)201q~eΦ0Φ101q~eΦ1Φ001q~e(Φ1)2].

Εδώ, έχουμε θέσει q~e(y)=q(xe-1+hey). Η προσέγγιση των στοιχείων του πίνακα Me μπορεί να γίνει στην πράξη με τη χρήση ενός κανόνα αριθμητικής ολοκλήρωσης. Στην περίπτωση που εξετάζουμε στη συγκεκριμένη παράγραφο, μπορεί να αποδειχθεί ότι η χρήση του κανόνα του τραπεζίου είναι ικανή για να εξασφαλίσει το αποτέλεσμα του Θεωρήματος 4.2.