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一种常微分方程数值计算的新方法

2014-10-29孟波孟纯青

湖北大学学报(自然科学版) 2014年1期
关键词:方法

孟波,孟纯青

(1.联科应用研究所,山东 济 南250031;2.山东省济南中学,山东 济 南250001)

0 引言与基本知识介绍

提出一种构建常微分方程数值方法的新思路,按照这种思路,构建一些具体的计算公式.先介绍一阶和二阶偏差分.

对于函数f(x,y)在点(xi,yi)处的的一阶形式如下.

对于二阶偏差分有以下形式.

最后给出两个变量的两种Taylor公式.

1 新方法的基本思想与相关公式的推导

设存在常微分方程初值问题f(x,y)关于y满足Lipschitz条件,即对于y1、y2有|f(x,y1)-f(x,y2)|≤L|y1-y2|.设步长为h,这时有xi+1=xi+h,xi-1=xi-h.现在介绍新方法的基本思想.

如果假设yi+1-yi=ki,忽略余项,(1)式和(2)式可以写成以下形式:

把(6)~(7)式跟一些传统方法结合起来就得到新方法中的公式,这些公式的形式可参见文献[1-3].

隐式Euler方法的形式为:

如果把右边的f(xi+1,yi+1)按照(6)~(7)式展开后得到

公式(A1)、(A2)就是两种n阶新方法中的公式,其中(A1)是按照(6)式推导出来的,称为新方法中的单差分公式,(A2)式是按照(7)式推导出来的,称为双差分公式.选择具体的偏差分形式可以构建不同的计算公式.下面就是一些具体公式.

如果只考虑到一阶偏差分,对于(A1)式,设0≤r≤1,记:

有计算公式:

对于(A2)式,设0≤r1,r2≤1,记:

有计算公式:

设0<s<1,把以上思想用于加权梯形公式得到:

如果只考虑到一阶偏差分,把(8)~(10)式代入得到以下公式:

如果只计算到二阶偏差分,公式(A4)的一种具体形式为:

把以上思想和其他公式相结合,可以得到许多新方法中的公式.

与Adams隐式方法相结合可以得到许多公式,以下仅列出从三阶、四阶Adams隐式方法推导出来的新公式.

如果计算到二……

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