8 Εξίσωση κύματος

8.1 Μέθοδος των Courant, Friedrichs και Lewy

Θεωρούμε το ακόλουθο πρόβλημα: Ζητείται μια συνάρτηση u:[0,L]×[0,T], τέτοια ώστε

utt(x,t)=α2uxx(x,t),x[0,L],t[0,T]u(0,t)=u(L,t)=0,t[0,T]u(x,0)=g0(x),x[0,L]ut(x,0)=g1(x),x[0,L] (8.1)

όπου α,L>0, g0,g1C[0,L]. Είναι γνωστό, βλ. π.χ. (Ακρίβης και Αλικάκος, (2012)), ότι η λύση του (8.1) δίνεται από τη σειρά

u(x,t)=n=1[Ancos(αλnt)+Bnsin(αλnt)]sin(λnx), με λn=nπL,

και An=2L0Lg0(x)sin(λnx), Bn=2αnπ0Lg1(x)sin(λnx).

Θα θεωρήσουμε έναν φυσικό αριθμό N και τη διαμέριση του διαστήματος [0,L] από N+2 ισαπέχοντα σημεία 0=x0<x1<<xN<xN+1=L, όπου h=xi+1-xi, i=0,,N. Επίσης, θεωρούμε και έναν φυσικό αριθμό M και τη διαμέριση του [0,T] από M+1 ισαπέχοντα σημεία 0=t0<t1<<tM=T, όπου k=tj+1-tj, j=0,,M-1, βλ. Σχήμα 5.1. Τότε, σε κάθε σημείο (xi,tj) του διαμερισμού του [0,L]×[0,T], θα ισχύει:

utt(xi,tj)=α2uxx(xi,tj),i=1,,N,j=0,,M. (8.2)

Θα προσεγγίσουμε καταρχήν τις uxx και utt στα σημεία του διαμερισμού και θα χρησιμοποιούμε τις προσέγγισεις δh,2cu(xi,tj) και δκ,2cu(xi,tj), αντίστοιχα, που θεωρήσαμε στην (2.8). Έτσι, αν υποθέσουμε ότι 4ux4,4ut4C([0,L]×[0,T]), λόγω της (2.11), η (8.2) γίνεται

u(xi,tj+1)-2u(xi,tj)+u(xi,tj-1)k2=α2u(xi+1,tj)-2u(xi,tj)+u(xi-1,tj)h2+ηij, (8.3)

για i=1,,N, j=1,,M-1, όπου

|ηij|k212maxt[0,T]|4ut4(xi,t)|+α2h212maxx[0,L]|4ux4(x,tj)|. (8.4)

Θα κατασκευάσουμε, λοιπόν, προσεγγίσεις Uij της λύσης u του προβλήματος (8.1) στα σημεία (xi,tj), i=1,,N, j=1,,M, θεωρώντας τις ακόλουθες εξισώσεις,

Uij+1-2Uij+Uij-1k2=α2Ui+1j-2Uij+Ui-1jh2,για i=1,,N,j=1,,M-1, (8.5)
{U0j=UN+1j=0,j=0,,M,Ui0=g0(xi),i=1,,N. (8.6)

Συμβολίζουμε τώρα με λ τον λόγο αkh, οπότε η (8.5) γράφεται ως

Uij+1=λ2Ui+1j+2(1-λ2)Uij+λ2Ui-1j-Uij-1, (8.7)

για i=1,,N, j=1,,M-1. Παρατηρούμε ότι χρησιμοποιώντας την (8.7) για να βρούμε την προσέγγιση στο χρονικό επίπεδο tj+1, χρειάζεται να γνωρίζουμε τις προσεγγίσεις στα χρονικά επίπεδα tj και tj-1. Έτσι ενώ, λόγω των (8.6), γνωρίζουμε τις Ui0, i=0,,N+1, για να βρούμε την προσέγγιση στο χρονικό επίπεδο t2, χρειάζεται να γνωρίζουμε την προσέγγιση και στο χρονικό επίπεδο t1. Η οποία όμως δεν είναι γνωστή και πρέπει να την προσδιορίσουμε με μια άλλη μέθοδο.

Αν υποθέσουμε ότι 3ut3C([0,L]×[0,T]), χρησιμοποιώντας το ανάπτυγμα Taylor της u στα σημεία (xi,t1), i=1,,N, έχουμε

u(xi,t1)=u(xi,t0)+kut(xi,0)+k22utt(xi,0)+η^i0=g0(xi)+α2kg1(xi)+α4k22uxx(xi,0)+η^i0, (8.8)

όπου

|η^i0|k36maxt[0,T]|3ut3(xi,t)| (8.9)

Στη συνέχεια, αν 4x4uC([0,L]×[0,T]) και θεωρήσουμε την δh,2cu(xi,0), βλ. (2.8), για να προσεγγίσουμε την uxx(xi,0), για i=1,,N στην (8.8), λόγω της (2.9), έχουμε

u(xi,t1)=g0(xi)+α2kg1(xi)+λ22(u(xi+1,0)-2u(xi,0)+u(xi-1,0))+η^i0+η~i0=g0(xi)+α2kg1(xi)+λ22(g(xi+1)-2g(xi)+g(xi-1))+ηi0, (8.10)

όπου ηi0=η^i0+η~i0 και

|η~i0|α4k2h224maxx[0,L]|4ux4(x,0)|. (8.11)

Λόγω τώρα των (8.4), (8.9) και (8.11), έχουμε ότι ισχύει το ακόλουθο λήμμα.

Λήμμα 8.1.

Έστω u η λύση του (8.1) με 4x4u,4t4uC([0,L]×[0,T]). Τότε για την ηij που δίνεται στην (8.3) και (8.10), έχουμε ότι υπάρχει σταθερά C ανεξάρτητη των k και h, τέτοια ώστε

max0jM-1max1iN|ηij|C(k2+h2). (8.12)

Επομένως, συμπληρώνουμε τις εξισώσεις (8.3) με τις ακόλουθες προσεγγίσεις Ui1 της λύσης u του προβλήματος (8.1) στα σημεία (xi,t1), i=0,,N+1, οι οποίες ικανοποιούν για i=1,,N,

Ui1=g0(xi)+α2kg1(xi)+λ22(g0(xi+1)-2g0(xi)+g0(xi-1))=λ22g0(xi+1)+(1-λ2)g0(xi)+λ22g0(xi-1)+α2kg1(xi). (8.13)

Στη συνέχεια, αν συμβολίσουμε με UjN το διάνυσμα με συνιστώσες U1j,,UNj, Uj= (U1j, , UNj)T, μπορούμε να γράψουμε το σύστημα των εξισώσεων (8.3) και (8.13) ισοδύναμα ως

Uj+1=AUj-Uj-1,j=1,,M-1U1=12AG0+α2kG1,με U0=G0 (8.14)

όπου A είναι o N×N πίνακας

A=(2(1-λ2)λ200λ22(1-λ2)λ2000λ22(1-λ2)λ2λ22(1-λ2)),

και G0=(g0(x1),,g0(xN))T και G1=(g1(x1),,g1(xN))T.

Σχήμα 8.1: Σημεία ενός πλέγματος για τον υπολογισμό της λύσης με τη μέθοδο των Courant, Friedrichs και Lewy. Με άσπρο σημειώνουμε τα σημεία  που αντιστοιχούν σε άγνωστες τιμές της προσέγγισης και με μαύρο αυτά που αντιστοιχούν σε γνωστές τιμές.

Εύκολα παρατηρούμε ότι, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο (8.3), η τιμή της προσέγγισης στο σημείο (xi,tj), εξαρτάται τελικά από τις τιμές στα σημεία (xi-j,0), , (xi,0), , (xi+j,0), βλ. Σχήμα 8.2. Άρα, το χωρίο υπολογιστικής εξάρτησης της μεθόδου (8.14) για το (xi,tj) είναι το διάστημα [xi-j,xi+j] του x-άξονα. Επίσης, λόγω της αναπαράστασης d’Alembert της ακριβούς λύσης u, βλ. (1.48), η τιμή της u στο σημείο (xi,tj) εξαρτάται από τις τιμές στα σημεία (xi-αtj) και (xi+αtj). Επομένως για να ικανοποιείται η συνθήκη CFL για τη μέθοδο (8.14) πρέπει τα σημεία xi±αtj[xi-jh,xi+jh], δηλαδή λ1.

Σχήμα 8.2: Χωρίο εξάρτησης της προσεγγιστικής λύσης με τη μέθοδο των Courant, Friedrichs και Lewy.

Όπως και για άλλες μεθόδους που είδαμε στις προηγούμενες παραγράφους για να δείξουμε τη σύγκλιση της μεθόδου (8.14) χρειάζεται να εφαρμόσουμε παρόμοια επιχειρήματα όπως αυτά της μεθόδου ενέργειας, βλ. Παράγραφο 3.4. Επομένως, διατυπώνουμε το ακόλουθο θεωρήμα χωρίς απόδειξη, λόγω της πολυπλόκοτητας αυτών των επιχειρημάτων, τα οποία δεν είναι στους σκοπούς αυτού του βιβλίου.

Θεώρημα 8.1.

Έστω ότι η λύση u του προβλήματος (8.1) είναι αρκετά ομαλή και Uij, i=1,,N, j=0,,M η λύση της μεθόδου των Courant, Friedrichs και Lewy, (8.14). Τότε, αν 0<λ1, υπάρχει μια σταθερά C, ανεξάρτητη των k,h, τέτοια ώστε

max1jMmax0iN+1|Uij-u(xi,tj)|C(k2+h2). (8.15)
Παράδειγμα 8.1.

Θεωρούμε το πρόβλημα (8.1), με α=1 και g0 που δίνεται από την

g0(x)={12(1-cos(2πxc)),αν0xc,0,διαφορετικά, (8.16)

όπου 0<c<1 και g1(x)=-g0(x). Μπορούμε να δούμε ότι η ακριβής λύση στο [0,1]×[0,T], με T<2-c δίνεται από τη συνάρτηση

u(x,t)={g0(x-t),αν0x1-cg0(x-t)-g0(2-x-t),1-ct2-c. (8.17)

Υποθέτουμε ότι c=0.09 και T=1.8 οπότε για N=199, θέτουμε M=330,360 και 400. Συνεπώς, για M=330 ο λόγος λ>1, ενώ για M=360 είναι λ=1 και για M=400, λ<1. Στο Σχήμα 8.3 βλέπουμε την ακριβή λύση u και τις προσεγγίσεις με τη μέθοδο Courant, Friedrichs και Lewy, για t=0,0.1,0.5,0.9,1.2 και 1.8. Παρατηρούμε, λοιπόν, ότι για M=330 η προσέγγιση δεν δίνει καλά αποτελέσματα, το οποίο οφείλεται στο γεγονός ότι ο λόγος λ>1, ενώ στις άλλες δύο περιπτώσεις το σφάλμα είναι μικρό.

Σχήμα 8.3: Η ακριβής λύση u(x,t) του Παραδείγματος 8.1 και οι προσεγγίσεις της για N=199 και M=330,360,400, με τη μέθοδο των Courant, Friedrichs και Lewy για t=0,0.1,0.5,0.9,1.2,1.8.

Παράδειγμα 8.2.

Θεωρούμε το πρόβλημα (8.1) στο [-2,2]×[0,1], με α=1 και

g(x)={e-11-x2,αν -1x1,0,διαφορετικά,

και g1=0. Μπορούμε να δούμε ότι η ακριβής λύση στο [-2,2]×[0,1] είναι η u(x,t)=12(g0(x+t)+g0(x-t)). Χρησιμοποιούμε τη μέθοδο των Courant, Friedrichs και Lewy, όπου θεωρούμε διαμερίσεις του [0,1] με k=0.05, 0.025, 0.0125, 0.0063, 0.0031 και 0.0016 και του [-2,2], με αντίστοιχο βήμα h, τέτοιο ώστε k/h=0.75. Στον Πίνακα 8.1 βλέπουμε το σφάλμα E¯=max0iN+1|UiM-u(xi,tM)| στο χρονικό επίπεδο tM=T=1 και την προσεγγιστική τάξη ακρίβειας p του σφάλματος.

k E¯ p
0.05 0.00640
0.025 0.00117 2.450
0.0125 0.00043 1.433
0.0063 0.00011 1.915
0.0031 0.00003 1.933
0.0016 0.00001 2.023
Πίνακας 8.1: Το σφάλμα E¯, στο χρονικό επίπεδo t=T=1 που προκύπτει για το Παράδειγμα 8.2 με τη μεθόδο των Courant, Friedrichs και Lewy με k/h=0.75 και η κατά προσέγγιση τάξη ακρίβειας p.

Θα μελετήσουμε τώρα την ευστάθεια von Neumann της μεθόδου των Courant, Friedrichs και Lewy. Αν υποθέσουμε, λοιπόν, ότι οι Uij=κjerxiI ικανοποιούν την (8.7), έχουμε

κj+1erxiI= κj(λ2erxi+1I+2(1-λ2)erxiI)+λ2erxi-1I)-κj-1erxiI.

Χρησιμοποιώντας τώρα τις (5.23) και (5.18) έχουμε,

κ2= κ(λ2erhI+2(1-λ2)+λ2e-rhI)-1
= κ(2λ2cos(rh)+2(1-λ2))-1
=2κ(1-2λ2sin2(rh2))-1.

Από το οποίο προκύπτει

κ2-2κσ+1=0, με σ=(1-2λ2sin2(rh2)). (8.18)

Συνεπώς

κ=σ±σ2-1.

Εύκολα βλέπουμε ότι αν σ2>1, τότε υπάρχει μια ρίζα της (8.18) με |κ|>1, και αν σ21 τότε ότι |κ|2=1. Συνεπώς, για να ισχύει ότι σ21, αρκεί λ1. Άρα, η (8.7) είναι von Neumann ευσταθής, αν λ1.