6 Εξίσωση θερμότητας: Πεπερασμένα στοιχεία

6.2 Πεπλεγμένη μέθοδος του Euler

Θα θεωρήσουμε τώρα ένα πλήρως διακριτό σχήμα, διακριτοποιώντας και ως προς τον χρόνο το ημιδιακριτό σχήμα (6.4) με την πεπλεγμένη μέθοδο του Εuler. Για έναν φυσικό αριθμό M1 θέτουμε k=T/M και tj=jk, j=0,,M, μια διαμέριση του [0,T].

Θεωρούμε λοιπόν τις προσεγγίσεις UnVh, n=1,,M, τέτοιες ώστε

(Un-Un-1k,χ)+((Un),χ)=0,χVh,U0=gh, (6.19)

όπου ghVh μια προσέγγιση της g. Η (6.19) γράφεται ισοδύναμα ως

(Un,χ)+k((Un),χ)=(Un-1,χ),χVh,U0=gh. (6.20)

Αν θεωρήσουμε ως βάση του Vh τις συναρτήσεις {ϕj}j=1N, τότε οι προσεγγίσεις Un του (6.20) γράφονται ως γραμμικός συνδυασμός των ϕj ως

Un(x)=j=0Nαjnϕj(x),x[0,L].

Επιλέγοντας τώρα χ=ϕi, i=1,,N, στην (6.20) παρατηρούμε ότι οδηγούμαστε σε ένα γραμμικό σύστημα της μορφής

(+k𝒮)αn=αn-1,

όπου και 𝒮 είναι οι πίνακες της (6.6) και αj διανύσματα με συνιστώσες αj=(α1j,,αNj)T, j=0,,N. Είναι απλό να δούμε ότι ο πίνακας +k𝒮 είναι συμμετρικός και θετικά ορισμένος και, άρα, αντιστρέφεται. Επομένως,

αn=(+k𝒮)-1αn-1. (6.21)

Άρα, ξεκινώντας από τη γνωστή προσέγγιση U0=gh της g, όπου γνωρίζουμε το διάνυσμα α0, μπορούμε χρησιμοποιώντας την (6.21) να προσδιορίσουμε αναδρομικά τα αn και κατ’επέκταση την προσέγγιση Un της u(,tn).

Στη συνέχεια, θα δείξουμε την ευστάθεια της μεθόδου (6.19).

Θεώρημα 6.3.

Έστω ότι οι UnVh, n=0,,M, ικανοποιούν την (6.19). Τότε

max0nMUnU0. (6.22)
Απόδειξη.

Επιλέγουμε χ=Un στην (6.19), οπότε λαμβάνουμε

(Un-Un-1k,Un)+(Un)2=0. (6.23)

Επομένως, έχουμε

Un2(Un-1,Un)Un-1Un.

Άρα

UnUn-1,

από όπου προκύπτει η ζητούμενη σχέση (6.22). ∎

Στη συνέχεια, αποδεικνύουμε τη σύγκλιση της πεπλεγμένης μεθόδου του Euler.

Θεώρημα 6.4.

Έστω uC2([0,L]×[0,T]) η λύση της (6.1) με gC2[0,L] και UnVh, n=0,,M, ικανοποιούν την (6.19) με U0=Rhg. Τότε υπάρχει σταθερά C, ανεξάρτητη των k και h, τέτοια ώστε

max0nMUn-u(,tn)C(k+h2). (6.24)
Απόδειξη.

Θέτουμε ρn=W(,tn)-u(,tn) και ϑn=Un-W(,tn), οπότε Un-u(,tn)=ϑn+ρn. Λόγω του Λήμματος 6.2, έχουμε ότι

max0nMρnCh2. (6.25)

Στη συνέχεια, μπορούμε να δούμε ότι η ϑn ικανοποιεί την ακόλουθη σχέση

(ϑn-ϑn-1k,χ)+((ϑn),χ)=-(ωn,χ),χVh, (6.26)

όπου ωn=ω1n+ω2n και

ω1n=ρn-ρn-1k,ω2n=un-un-1k-utn,

με un=u(,tn) και utn=u(,tn). Πράγματι έχουμε

(ϑn-ϑn-1k,χ)+((ϑn),χ)
 =-(Rhun-Rhun-1k,χ)-((Rhun),χ)
 =-(ρn-ρn-1k,χ)-(un-un-1k,χ)-((un)x,χ)
 =-(ρn-ρn-1k,χ)-(un-un-1k,χ)+(utn,χ)
 =-(ω1n+ω2n,χ).

Στη συνέχεια, θα δείξουμε ότι

ω1nCh2καιω2nCk.

Εύκολα βλέπουμε ότι

ω1n=1ktn-1tnρ(t)dt,

οπότε λόγω της (6.13)

ω1n1ktn-1tnρ(t)dtCh2. (6.27)

Επίσης, λόγω του αναπτύγματος Taylor έχουμε

ω2n=un-un-1k-utn=k-1tn-1tn(t-tn-1)utt(,t)dt.

Συνεπώς

ω2nCk. (6.28)

Άρα, συνδυάζοντας τις (6.27), (6.28), παίρνουμε

ωnC(k+h2),n=1,,M. (6.29)

Επιλέγοντας τώρα χ=ϑn στην (6.26), λαμβάνουμε

ϑn2+k(ϑn)2 =(ϑn-1,ϑn)-k(ωn,ϑn)(ϑn-1+kωn)ϑn.

Οπότε

ϑnϑn-1+kωn,

από την οποία παίρνουμε την

ϑnϑ0+kj=1nωjϑ0+Mkmax0jMωj.

Συνεπώς, λόγω των (6.25), (6.29) και του γεγονότος ότι ϑ(0)=0, έχουμε ότι ισχύει η ζητούμενη σχέση. ∎