Về một phương pháp không cổ điển giải số phương trình vi phân bậc nhất và bậc hai

MỤC LỤC Lời nói đầu 1 1. Kiến thức chuẩn bị 3 1.1. Bài toán Cauchy giải hệ phương trình vi phân 3 1.2. Giải số bài toán Cauchy 4 1.2.1. Quy tắc cầu phương cơ bản và giải số phương trình vi phân 4 1.2.2. Phương pháp Runge-Kutta 9 1.2.3. Phương pháp cổ điển đa bước 12 1.3. Mô hình thử và ổn định của phương pháp số 13 1.3.1. Mô hình thử 13 1.3.2. Ổn định của phương pháp Euler 14 1.3.3. Ổn định của phương pháp Runge-Kutta 16 1.3.4. Ổn định của phương pháp đa bước 18 1.3.5. Ổn định của phương pháp sai phân hữu hạn 18 2.Về một phương pháp không cổ điển giải số hệ phương trình vi phân cấp một 20 2.1. Phương pháp không cổ điển giải số hệ phương trình vi phân phi tuyến cấp một 20 2.1.1. Phương pháp tổng quát 20 2.1.2. Phương trình thử 24 2.1.3. Trường hợp đặc biệt 25 2.1.4. Thử nghiệm số 26 2.2. Phương pháp không cổ điển giải số hệ phương trình vi phân tuyến tính cấp một 27 2.2.1. Phương pháp một bước 27 2.2.2. Phương pháp đa bước 34 3. Về một phương pháp không cổ điển giải số hệ phương trình vi phân cấp hai 50 3.1. Phương pháp không cổ điển giải số cấp hai 50 3.1.1. Phương pháp cổ điển 50 3.1.2. Lược đồ sai phân mới 51 3.1.3. Tính chất ổn định 63 3.1.4. Thử nghiệm số 66 3.2. Phương pháp không cổ điển giải số hệ phương trình phi tuyến cấp hai 68 Kết luận 70 Tài liệu tham khảo 71 Phụ lục 72

doc74 trang | Chia sẻ: lvcdongnoi | Ngày: 26/01/2013 | Lượt xem: 1692 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Về một phương pháp không cổ điển giải số phương trình vi phân bậc nhất và bậc hai, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
PAGE  PAGE 39 Về một phương pháp không cổ điển giải số phương trình vi phân bậc nhất và bậc hai MỤC LỤC Lời nói đầu 1 TOC \o "1-3" \h \z \u  1.  HYPERLINK \l "_Toc155386683" Kiến thức chuẩn bị  PAGEREF _Toc155386683 \h 3  HYPERLINK \l "_Toc155386684" 1.1. Bài toán Cauchy giải hệ phương trình vi phân  PAGEREF _Toc155386684 \h 3  HYPERLINK \l "_Toc155386685" 1.2. Giải số bài toán Cauchy  PAGEREF _Toc155386685 \h 4  HYPERLINK \l "_Toc155386686" 1.2.1. Quy tắc cầu phương cơ bản và giải số phương trình vi phân  PAGEREF _Toc155386686 \h 4  HYPERLINK \l "_Toc155386687" 1.2.2. Phương pháp Runge-Kutta  PAGEREF _Toc155386687 \h 9  HYPERLINK \l "_Toc155386688" 1.2.3. Phương pháp cổ điển đa bước  PAGEREF _Toc155386688 \h 12  HYPERLINK \l "_Toc155386689" 1.3. Mô hình thử và ổn định của phương pháp số  PAGEREF _Toc155386689 \h 13  HYPERLINK \l "_Toc155386690" 1.3.1. Mô hình thử  PAGEREF _Toc155386690 \h 13  HYPERLINK \l "_Toc155386691" 1.3.2. Ổn định của phương pháp Euler  PAGEREF _Toc155386691 \h 14  HYPERLINK \l "_Toc155386692" 1.3.3. Ổn định của phương pháp Runge-Kutta  PAGEREF _Toc155386692 \h 16  HYPERLINK \l "_Toc155386693" 1.3.4. Ổn định của phương pháp đa bước  PAGEREF _Toc155386693 \h 18  HYPERLINK \l "_Toc155386694" 1.3.5. Ổn định của phương pháp sai phân hữu hạn  PAGEREF _Toc155386694 \h 18  HYPERLINK \l "_Toc155386695" 2. HYPERLINK \l "_Toc155386696" Về một phương pháp không cổ điển giải số hệ phương trình vi phân cấp một  PAGEREF _Toc155386696 \h 20  HYPERLINK \l "_Toc155386697" 2.1. Phương pháp không cổ điển giải số hệ phương trình vi phân phi tuyến cấp một  PAGEREF _Toc155386697 \h 20  HYPERLINK \l "_Toc155386698" 2.1.1. Phương pháp tổng quát  PAGEREF _Toc155386698 \h 20  HYPERLINK \l "_Toc155386699" 2.1.2. Phương trình thử  PAGEREF _Toc155386699 \h 24  HYPERLINK \l "_Toc155386700" 2.1.3. Trường hợp đặc biệt  PAGEREF _Toc155386700 \h 25  HYPERLINK \l "_Toc155386701" 2.1.4. Thử nghiệm số  PAGEREF _Toc155386701 \h 26  HYPERLINK \l "_Toc155386702" 2.2. Phương pháp không cổ điển giải số hệ phương trình vi phân tuyến tính cấp một  PAGEREF _Toc155386702 \h 27  HYPERLINK \l "_Toc155386703" 2.2.1. Phương pháp một bước  PAGEREF _Toc155386703 \h 27  HYPERLINK \l "_Toc155386704" 2.2.2. Phương pháp đa bước  PAGEREF _Toc155386704 \h 34 i  HYPERLINK \l "_Toc155386705" 3.  HYPERLINK \l "_Toc155386706" Về một phương pháp không cổ điển giải số hệ phương trình vi phân cấp hai  PAGEREF _Toc155386706 \h 50  HYPERLINK \l "_Toc155386707" 3.1. Phương pháp không cổ điển giải số cấp hai  PAGEREF _Toc155386707 \h 50  HYPERLINK \l "_Toc155386708" 3.1.1. Phương pháp cổ điển  PAGEREF _Toc155386708 \h 50  HYPERLINK \l "_Toc155386709" 3.1.2. Lược đồ sai phân mới  PAGEREF _Toc155386709 \h 51  HYPERLINK \l "_Toc155386710" 3.1.3. Tính chất ổn định  PAGEREF _Toc155386710 \h 63  HYPERLINK \l "_Toc155386711" 3.1.4. Thử nghiệm số  PAGEREF _Toc155386711 \h 66  HYPERLINK \l "_Toc155386712" 3.2. Phương pháp không cổ điển giải số hệ phương trình phi tuyến cấp hai  PAGEREF _Toc155386712 \h 68  HYPERLINK \l "_Toc155386713" Kết luận  PAGEREF _Toc155386713 \h 70  HYPERLINK \l "_Toc155386714" Tài liệu tham khảo  PAGEREF _Toc155386714 \h 71 Phụ lục 72 ii  LỜI NÓI ĐẦU Phương trình vi phân là mô hình mô tả khá tốt các quá trình chuyển động trong tự nhiên và kĩ thuật. Để nghiên cứu phương trình vi phân, người ta thường tiếp cận theo hai hướng: nghiên cứu định tính và giải số. Mặc dù đã có lịch sử phát triển hàng trăm năm, do còn nhiều bài toán cần giải quyết, giải số phương trình vi phân thường vẫn thu hút sự quan tâm mạnh mẽ của các nhà toán học và các nhà nghiên cứu ứng dụng. Trong giải số phương trình vi phân, người ta thường cố gắng tìm ra những phương pháp hữu hiệu bảo đảm sự hội tụ, tính ổn định và tính chính xác cao. Để làm được điều này, người ta thường tổ hợp các phương pháp đa bước để nhận được các phương pháp mới có bậc hội tụ, tính ổn định và cấp chính xác cao hơn. Phương pháp không cổ điển giải số phương trình vi phân thường bậc nhất và bậc hai do M. V. Bulatov (và Berghe) đề xuất trong vòng năm năm trở lại đây nằm trong hướng này. Luận văn Về một phương pháp không cổ điển giải số phương trình vi phân bậc nhất và bậc hai có mục đích trình bày các phương pháp của Bulatov và Berghe theo các tài liệu [4] (2009) và [9]-[11] (2003-2008). Luận văn gồm ba Chương. Chương 1 trình bày một số khái niệm và phương pháp cơ bản giải số phương trình vi phân. Trong mục 1.2 của Chương, chúng tôi trình bày các phương pháp số cổ điển theo một quan điểm nhất quán là xuất phát từ Quy tắc cầu phương cơ bản. Chương 2 trình bày phương pháp không cổ điển (do Bulatov đề xuất vào những năm 2003-2008) giải số hệ phương trình vi phân bậc nhất, phi tuyến và tuyến tính, theo các tài liệu [9]-[11]. Chương 3 trình bày phương pháp không cổ điển giải số hệ phương trình vi phân bậc hai, tuyến tính và phi tuyến, theo bài báo của M. V. Bulatov và G. V. Berghe ([4], 2009). Thông qua việc tính toán đạo hàm, phân tích các hàm nhiều biến vào chuỗi Taylor và các phép biến đổi chi tiết, chúng tôi cố gắng trình bày các kết quả của M. V. Bulatov và G. V. Berghe một cách rõ ràng và chi tiết nhất. Để minh họa và kiểm chứng lý thuyết, chúng tôi đã lập trình trên MATLAB và tính toán trên máy các ví dụ của M. V. Bulatov và G. V. Berghe. Luận văn được hoàn thành dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS-TS Tạ Duy Phượng (Viện Toán học). Xin được tỏ lòng cám ơn chân thành nhất tới Thầy. Tác giả xin tỏ lòng cám ơn Ban Chủ nhiệm , các Thày Cô và các cán bộ khoa Toán- Cơ – Tin học, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã nhiệt tình giảng dạy và giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học Cao học. Tác giả xin chân thành cám ơn Ban Lãnh đạo và các cán bộ, giáo viên Học viện Quân y đã tạo mọi điều kiện để tác giả hoàn thành tốt khóa học Cao học. Và cuối cùng, xin được cám ơn Gia đình, bạn bè đã thông cảm, sẻ chia, hy sinh và tạo mọi điều kiện cho tác giả trong suốt thời gian học Cao học và viết luận văn. Hà Nội, ngày 30 tháng 11 năm 2009 Tác giả Vũ Thị Thanh Bình CHƯƠNG 1 Kiến thức chuẩn bị Trong Chương 1 chúng tôi nhắc lại những khái niệm cơ bản nhất của giải số phương trình vi phân nhằm thuận tiện cho trình bày ở các mục sau. 1.1. Bài toán Cauchy giải hệ phương trình vi phân Xét bài toán Cauchy tìm nghiệm của hệ phương trình (1.1) thỏa mãn điều kiện ban đầu , (1.2) trong đó là các hàm vectơ - chiều, hàm xác định trên hình hộp vô hạn. Ở đây ta hiểu nghiệm theo nghĩa cổ điển và địa phương, tức là nghiệm của (1.1)-(1.2) là một hàm khả vi trên , sao cho trên và . Cùng với bài toán (1.1), ta cũng xét trường hợp hàm là tuyến tính, tức là , trong đó là ma trận cấp , còn là vectơ -chiều, tức là hệ tuyến tính . (1.3) Ta luôn giả thiết rằng các phần tử của ma trận , của các vectơ , là đủ trơn (có đạo hàm đến cấp cần thiết trong tính toán). Khi ấy theo định lí Picard-Lindelöf, hệ (1.1)-(1.2) có duy nhất nghiệm trên toàn đoạn (nghiệm có thể kéo dài được trên toàn bộ khoảng xác định, hay tồn tại nghiệm toàn cục, xem [8], trang 467). Lưu ý này là quan trọng trong giải số hệ phương trình (1.1)-(1.2). 1.2. Giải số bài toán Cauchy Để chứng minh định lý về sự tồn tại và duy nhất nghiệm của hệ phương trình vi phân (1.1)-(1.2), ta có thể xây dựng dãy nghiệm xấp xỉ hội tụ tới nghiệm của bài toán (1.1)-(1.2) trên khoảng tồn tại nghiệm. Có hai phương pháp xây dựng dãy nghiệm xấp xỉ: phương pháp giải tích và phương pháp số kết quả được cho dưới dạng bảng, như phương pháp Euler, phương pháp Runge-Kutta, phương pháp đa bước,... Dưới đây trình bày cách xây dựng các công thức Euler, Runge-Kutta,... xuất phát từ qui tắc cầu phương cơ bản (xem, thí dụ, [2]). 1.2.1. Quy tắc cầu phương cơ bản và giải số phương trình vi phân Quy tắc cầu phương cơ bản (basic quadrature rules) có thể được coi là phương pháp quan trọng để tính tích phân. Vì giải phương trình vi phân thường (1.1) với điều kiện ban đầu (1.2) tương đương với việc giải phương trình tích phân (1.4) nên ta cũng có thể sử dụng quy tắc cầu phương cơ bản trong việc giải số phương trình vi phân. Trong mục này ta sẽ chỉ ra rằng, nhiều công thức sai phân cổ điển giải số phương trình vi phân có thể suy ra từ quy tắc cầu phương cơ bản. Trước tiên ta nhắc lại quy tắc cầu phương cơ bản (xem, thí dụ, [1]). Nội dung cơ bản của quy tắc cầu phương là: để tính tích phân ta thay bởi một đa thức nội suy (interpolating polynomial). Tích phân của hàm được xấp xỉ bởi tích phân của hàm đa thức (tính được chính xác). Giả sử ta có điểm nội suy khác nhau trong khoảng . Đa thức nội suy Lagrange bậc nhỏ hơn có dạng (xem [1]): , trong đó . Khi ấy . Các trọng số được tính theo công thức Nếu thì đa thức nội suy và ta có: Ta nói độ chính xác (precision) của quy tắc cầu phương là nếu quy tắc này chính xác cho mọi đa thức bậc nhỏ hơn , tức là với mọi đa thức bậc nhỏ hơn ta có: Nếu thì sai số trong quy tắc cầu phương của độ chính xác là Ta xét một số trường hợp đặc biệt. symbol 183 \f "Symbol" \s 13· Nếu chọn và thì ta có công thức xấp xỉ tích phân bởi diện tích hình chữ nhật ABCD (Hình 1.1): (1.5) Nếu là nghiệm của phương trình vi phân (1.1) - (1.2) (nghiệm của phương trình tích phân (1.4)) thì: (1.6) Kết hợp với công thức (1.5) ta đi đến công thức: (1.7) Gọi là độ dài bước (stepsize) của biến độc lập ( có thể dương hoặc âm, khi dương thì nghiệm được xây dựng về bên phải của điểm và ngược lại, khi âm thì nghiệm được xây dựng về bên trái của ). Dưới đây ta coi , trường hợp có thể được xét tương tự. O f x C D b B a A Từ công thức (1.7) ta có ; ; .....; . Đây chính là công thức Euler tiến quen thuộc. Hình 1.1 E b B a A F O f x symbol 183 \f "Symbol" \s 13· Nếu chọn và thì ta có công thức xấp xỉ tích phân bởi diện tích hình chữ nhật ABEF (Hình 1.2): Từ đây ta có: Suy ra công thức Euler lùi: . Hình 1.2 M N b B a A O f x Hai phương pháp Euler tiến và Euler lùi là những phương pháp Runge-Kutta bậc nhất (có độ xấp xỉ bậc nhất). symbol 183 \f "Symbol" \s 12· Nếu chọn và thì ta có công thức xấp xỉ tích phân bởi diện tích hình chữ nhật ABMN (Hình 1.3): Từ đây ta có: Hình 1.3 . Từ công thức trên ta có . Đây chính là phương pháp trung điểm (midpoind method). symbol 183 \f "Symbol" \s 13· Nếu chọn và thì và Suy ra và Chứng tỏ . E D b B a A O f x Như vậy nếu xấp xỉ tích phân bởi công thức trên (bởi diện tích hình thang ABED, Hình 1.4) thì ta được: . Từ đây ta có công thức hình thang: . Phương pháp điểm giữa và phương pháp hình thang là hai phương pháp ẩn, Hình 1.4 chúng có độ chính xác . symbol 183 \f "Symbol" \s 13· Nếu chọn và thì, đặt , ta có: Suy ra và Do tính chất đối xứng (hoặc tính trực tiếp), ta có . Từ các tính toán trên ta đi đến công thức Simpson: . Suy ra công thức xấp xỉ nghiệm của phương trình vi phân và công thức sai phân . Đây là công thức ẩn của phương pháp Runge-Kutta kinh điển cấp bốn (classical fourth-order Runge-Kutta method). 1.2.2. Phương pháp Runge-Kutta 1.2.2.1. Dẫn tới phương pháp Runge - Kutta Vì phương pháp ẩn đòi hỏi tại mỗi bước phải giải một phương trình phi tuyến, điều này không đơn giản, nên ta cố gắng xây dựng các công thức Runge-Kutta hiển từ công thức hình thang ẩn, công thức điểm giữa ẩn và công thức Runge-Kutta kinh điển cấp bốn ẩn tương ứng như sau. symbol 183 \f "Symbol" \s 13· Trong công thức hình thang ẩn: , ta thay giá trị ở vế phải bằng công thức Euler tiến: . Khi ấy ta được công thức: Công thức này được gọi là phương pháp hình thang hiển (explicit trapezoidal method). symbol 183 \f "Symbol" \s 13· Bằng cách sử dụng xấp xỉ bậc nhất của theo phương pháp Euler tiến: và thay vào công thức của phương pháp trung điểm ẩn ta nhận được phương pháp trung điểm hiển (explicit midpoint method): symbol 183 \f "Symbol" \s 13· Từ phương pháp Runge-Kutta ẩn cấp bốn kinh điển , ta có công thức Runge-Kutta hiển bậc bốn kinh điển sau: trong đó: 1.2.2.2. Phương pháp Runge-Kutta tổng quát Nội dung cơ bản của phương pháp Runge-Kutta tổng quát như sau. Chia đoạn thành một lưới đều , , , và kí hiệu là giá trị xấp xỉ , , . Phương pháp Runge-Kutta cho bài toán (1.1)-(1.2) có dạng (xem, [2], [4]-[7]) , (1.8) trong đó là vectơ -chiều và là nghiệm của hệ phương trình phi tuyến . (1.9) Các tham số , , xác định bậc xấp xỉ của phương pháp, còn được gọi là số nấc. Nếu với mọi thì ta có phương pháp Runge-Kutta hiển. Khi ấy tính toán khá đơn giản ( được tính theo công thức truy hồi). Nếu với nào đó thì ta có phương pháp Runge-Kutta ẩn. Khi ấy tại mỗi bước ta phải giải một hệ phương trình phi tuyến (tuyến tính nếu ) để tìm vectơ (mỗi vectơ có tọa độ). Thường phương pháp Runge-Kutta được viết dưới dạng bảng Butcher (Butcher table) Hai phương pháp Runge-Kutta quan trọng thường hay được sử dụng là phương pháp Runge-Kutta bậc hai và phương pháp Runge-Kutta bậc bốn. 1.2.2.3. Công thức lặp của phương pháp Runge-Kutta bậc hai Giả thiết rằng ta đã biết giá trị của tại là . Phương pháp Runge-Kutta hiển hai nấc cấp hai sử dụng điểm để xấp xỉ giá trị của tại điểm tiếp theo bằng công thức (1.10) trong đó Khái niệm -nấc (-stage) thể hiện rằng số lần tính các giá trị của hàm (tại các điểm khác nhau trong công thức Runge-Kutta) là . Để tìm các phương pháp Runge-Kutta bậc hai, ta làm như sau (xem [2]). Khai triển Taylor hàm theo phương trình (1.1) và theo công thức (1.10) rồi so sánh, ta đi đến kết luận: Các hệ số trong phương pháp Runge-Kutta cấp hai phải thoả mãn hệ phương trình . Đây là một hệ ba phương trình (phi tuyến) bốn ẩn. Ta có thể chọn một hệ số, thí dụ, tự do. Khi ấy các hệ số còn lại biểu diễn qua bởi các công thức: , , . Chọn , thì và . Khi ấy ta có một phương pháp Runge-Kutta cấp hai cho phép tính dựa trên công thức: . Công thức này được gọi là phương pháp Runge-Kutta đơn giản (Simple Runge-Kutta Method) hoặc phương pháp tiếp tuyến cải tiến (Impoved Tangent Method), vì nó trùng với phương pháp Euler cải tiến. Nếu chọn thì , và . Khi ấy ta có công thức . Phương pháp tính theo công thức trên được gọi là phương pháp Euler-Cauchy. 1.2.3. Phương pháp cổ điển đa bước Phương pháp cổ điển -bước cho bài toán (1.1) có dạng (xem, [3], [4]-[7]) . (1.11) Phương pháp một tựa tương ứng với nó là . (1.12) Đối với phương pháp này ta giả thiết rằng các giá trị xuất phát đã được tính tương đối chính xác. Nếu và thì phương pháp là phương pháp hiển. Nếu và thì ta có phương pháp ẩn. 1.3. Mô hình thử và ổn định của phương pháp số 1.3.1. Mô hình thử Để phân tích hiệu quả của các phương pháp, ta thường thử chúng trên mô hình G. Dahlquist (gọi là phương trình thử hay mô hình thử) , (1.13) trong đó là một hằng số (thực hoặc phức). Nghiệm của phương trình này là . Ta thường viết , trong đó và tương ứng là các phần thực và phần ảo của . Tương ứng với phương trình (1.13), xét phương trình sai phân tuyến tính bậc nhất , , trong đó cho trước và nói chung là một số phức. Nghiệm của phương trình này là . Ta thấy rằng nghiệm này bị chặn khi và chỉ khi . Giả sử bước cố định. Khi ấy giá trị của nghiệm chính xác tại các điểm sẽ là , trong đó . Nếu nghiệm chính xác bị chặn thì . Điều này chỉ có thể xảy ra nếu . Điều này có nghĩa là, trên mặt phẳng với trục hoành và trục tung , miền ổn định của nghiệm chính xác phải là nửa mặt phẳng mở bên trái. Phương pháp một bước được gọi là ổn định tuyệt đối nếu và ổn định tương đối nếu . Nếu là thuần ảo và thì ổn định tuyệt đối được gọi là ổn định tuần hoàn (P-ổn định). Khi miền ổn định của phương trình sai phân đồng nhất với miền ổn định của phương trình vi phân, lược đồ sai phân hữu hạn được gọi là ổn định - A. Phương trình thử thường được sử dụng như một mô hình để dự đoán tính ổn định của phương pháp số giải hệ dạng tổng quát (1.1)-(1.2). Để thuận tiện, ta cũng có thể đưa ra các khái niệm ổn định tương tự như sau. Kí hiệu , mọi phương pháp Runge-Kutta (1.8)-(1.9) đều có thể viết dưới dạng , trong đó được gọi là hàm ổn định. Định nghĩa 3.1 Tập tất cả các điểm của mặt phẳng phức mà được gọi là miền ổn định của phương pháp (1.8)-(1.9). Nếu tập hợp đó chứa toàn bộ nửa mặt phẳng trái thì phương pháp được gọi là ổn định-A, còn nếu ngoài ra thì phương pháp được gọi là ổn định-L(hay còn gọi là ổn định tiệm cận). 1.3.2. Sự ổn định của phương pháp Euler Phương pháp Euler áp dụng cho phương trình thử (3.1) có dạng . Nghiệm của phương trình sai phân tương ứng là , trong đó . Phương pháp số là ổn định nếu . Xét các trường hợp sau 1) là số thực. Khi ấy , hay . 2) là thuần ảo (, trong đó là số thực khác 0). Khi ấy . Chứng tỏ phương pháp là không ổn định nếu là thuần ảo. 3) là số phức (). Khi ấy , nghĩa là nằm trong hình tròn đơn vị tâm là (Hình1.5). Hình tròn này tiếp xúc với trục ảo. Imh Reh -1 O -1 Hình 1.5 Như vậy, chỉ có một phần rất nhỏ (hình tròn bán kính bằng 1) của nửa mặt phẳng trái là miền ổn định của phương pháp Euler. Với mọi giá trị khác của trong nửa mặt phẳng trái và bên ngoài hình tròn này, nghiệm số sẽ bị phóng đại (blow-up) khi nghiệm chính xác triệt tiêu (decays). Phương pháp số này được gọi là ổn định có điều kiện. Để nhận được nghiệm số ổn định, bước phải được chọn sao cho nằm trong hình tròn. Nếu là số thực âm thì từ điều kiện suy ra . Nếu là thực và nghiệm số không ổn định thì , nghĩa là là một số âm và có trị tuyệt đối lớn hơn 1. Vì nên nghiệm số sẽ đổi dấu qua mỗi bước. Sự thay đổi của nghiệm số mô tả khá rõ tính không ổn định. Tương tự, ta có thể xét tính ổn định của các phương pháp Euler cải tiến. Ta đi đến kết luận sau. Phương pháp Euler ẩn là ổn định-L và hội tụ cấp một; Phương pháp hình thang là ổn định-A và hội tụ cấp hai, còn phương pháp Euler hiển không phải là ổn định-A và hội tụ cấp 1. Hàm ổn định của các phương pháp này tương ứng là , và . 1.3.3. Sự ổn định của phương pháp Runge-Kutta 1.3.3.1 Sự ổn định của phương pháp Runge-Kutta bậc hai Xét phương pháp Runge-Kutta bậc hai cho phương trình thử (1.13). Ta có ; và . Để phương pháp ổn định thì , trong đó . Trường hợp 1. là số thực. Khi ấy hay . Trường hơp 2. thuần ảo, . Khi ấy . Phương pháp không ổn định. Trường hợp 3. là số phức. Khi ấy là số phức. Đặt và tìm nghiệm phức của phương trình bậc hai theo các giá trị của . Nhận xét rằng với mọi giá trị của . Miền ổn định được chỉ ra trên Hình 1.6. 1.3.3.2. Sự ổn định của phương pháp Runge-Kutta bậc bốn Xét phương pháp Runge-Kutta bậc bốn cho phương trình thử (1.13). Ta có ; ; ; Và . Để phương pháp ổn định thì , trong đó . Trường hợp 1. là số thực. Khi ấy . Trường hơp 2. thuần ảo, . Khi ấy . Trường hợp 3. là số phức. Đặt và tìm nghiệm phức của phương trình bậc bốn theo các giá trị của . Nhận xét rằng với mọi giá trị của . Miền ổn định được chỉ ra trên Hình 1.6. Hình 1.6 1.3.4. Sự ổn định của phương pháp đa bước Áp dụng các phương pháp (1.11) và (1.12) cho bài toán (1.13) ta được . (1.14) Phương trình đặc trưng của phương trình sai phân tuyến tính trên có dạng . (1.15) Định nghĩa 3.2 Tập tất cả các điểm của mặt phẳng phức mà với mọi nghiệm của (1.15) và đối với các nghiệm bội được gọi là miền ổn định của phương pháp (1.14). Nếu tập hợp đó chứa toàn bộ nửa mặt phẳng trái thì phương pháp được gọi là ổn định-A. Nhận xét Với mọi phương pháp cổ điển miền ổn định chứa gốc tọa độ của mặt phẳng phức. Tương ứng với bậc của phương pháp ta đã biết những điều sau (xem [11]): 1) Bậc của các phương pháp Runge-Kutta -nấc cho phương trình (1.13)-(1.15) không vượt quá (chắn Butcher). 2) là cấp chính xác, là số bước của phương pháp (1.11).Nếu phương pháp ổn định thì không vượt quá khi chẵn và khi lẻ (chắn Dahlquist thứ nhất). 3) Phương pháp (1.11) ổn định – A không thể có cấp chính xác vượt quá 2 (chắn Dahlquist thứ hai). Trong Chương sau ta sẽ trình bày phương pháp do Bulatov đề nghị cải tiến được những hạn chế nêu trên. 1.3.5. Sự ổn định của phương pháp sai phân hữu hạn Xét phương trình vi phân tuyến tính bậc hai , trong đó là hằng số và đủ lớn so với 1. Phương trình có nghiệm là , trong đó và là các hằng số bất kì được xác định bởi điều kiện ban đầu hoặc điều kiện biên tương ứng. Nếu và thì nghiệm bị chặn. Đại lượng là nghịch biến khi và đồng biến khi . Xấp xỉ sai phân trung tâm cho hệ là . Phương trình sai phân này có nghiệm là . Nếu đại lượng nên là nghịch biến. Khi thì nếu . Đây chính là điều kiện ổn định cho hệ sai phân. CHƯƠNG 2 Về một phương pháp không cổ điển giải số hệ phương trình vi phân cấp một Chương này trình bày một phương pháp mới do Bulatov đề xuất giải số bài toán Cauchy cho hệ phương trình vi phân cấp một (xem [9]-[11]) tốt hơn các phương pháp cổ điển. Phương pháp mới là một họ phương pháp một bước, bậc hai, trong đó có phương pháp là L-ổn định. Nội dung của Chương gồm hai mục. Trong 2.1 chúng tôi trình bày phương pháp không cổ điển do Bulatov đề xuất giải số hệ phương trình vi phân phi tuyến cấp một. Phương pháp không cổ điển do Bulatov đề xuất giải số hệ phương trình vi phân tuyến tính cấp một được trình bày trong 2.2. Để làm sáng tỏ phương pháp, chúng tôi đã thực hiện các tính toán chi tiết (phân tích các hàm nhiều biến dưới dạng chuỗi Taylor,...) mà trong [9]-[11] trình bày không tường minh. 2.1. Phương pháp không cổ điển giải số hệ phương trình vi phân phi tuyến cấp một 2.1.1. Phương pháp tổng quát Xét bài toán Cauchy tìm nghiệm của hệ phương trình (2.1) thỏa mãn điều kiện ban đầu , (2.2) trong đó là các hàm vectơ - chiều, hàm xác định trên hình hộp chữ nhật vô tận. Để giải bài toán (2.1)-(2.2), ta bắt đầu đi từ phương pháp- và phương pháp một tựa của nó (hai phương pháp này đều có cấp chính xác bằng một): (2.3) và (1.4) với là các hằng số tùy ý, . Mỗi công thức truy hồi (2.3) (hoặc (2.4)) cho một dãy các giá trị xấp xỉ nghiệm của phương trình vi phân (2.1)-(2.2). Dưới đây ta cố gắng kết hợp hai phương pháp (2.3) và (2.4) để được một phương pháp số mới giải hệ phương trình vi phân (2.1)-(2.2). Khai triển Taylor tại điểm ta được: và trong đó . Các phương pháp (2.3)-(2.4) được tuyến tính hóa như sau , (2.3’) . (2.4’) Viết lại hai công thức trên thành một hệ phương trình đại số tuyến tính có ẩn là (kí hiệu là ma trận đơn vị cấp ): . (2.5) Nhận thấy rằng hệ (2.5) nói chung không có nghiệm theo nghĩa cổ điển vì số phương trình nhiều hơn số ẩn, tức là hệ (2.3) và (2.4) nói chung không có nghiệm trùng nhau. Để giải hệ phương trình đại số (2.5) ta nhân hai vế của hệ này với ma trận cấp , trong đó là hằng số tùy ý. Khi ấy (2.5) trở thành: (2.6) Theo [11]lược đồ sai phân (2.6) là ổn định với mọi bộ hệ số và có bậc hội tụ tối thiểu là bậc một. Ta có ba tham số tự do, vì vậy có thể chọn được bộ ba số sao cho họ lược đồ sai phân (2.6) hội tụ cấp hai. Khai triển Taylor theo tại điểm ta được: Thay vào (2.6) ta được hay hay Đẳng thức trên đúng với mọi . So sánh hệ số hai vế ta được: Hệ số của : . Do (phương trình (1.1)) nên hệ thức trên đúng với mọi . Hệ số của : Từ phương trình (1.1) ta có: và . Do đó hệ số của viết lại thành: hay . Như vậy, hệ số của bằng 0 khi và chỉ khi ta có . (2.7) Như vậy nếu chọn thỏa mãn (2.7) thì ta được công thức (2.6) có cấp hai, bởi vì lúc này công thức (2.6) có sai số địa phương bậc . Ta đi đến định lý sau. Định lý 1.1 Nếu thì ta có đánh giá , trong đó tìm được theo công thức (2.6). Định lý này được chứng minh nhờ nhận xét là sai số địa phương có bậc ba, và ma trận chuyển sang bước tiếp theo có chuẩn là với . 2.1.2. Phương trình thử Áp dụng công thức (2.6) cho phương trình thử . (2.8) Ta có do đó và . Khi đó (1.6) được viết lại thành: hay (2.9) Đặt và nhận xét rằng, với phương trình thử, ma trận là một số, ta được công thức , trong đó . Để (2.6) là ổn định-L thì , suy ra trong bậc của tử thức phải nhỏ hơn bậc của mẫu thức, tức là ta phải chọn thỏa mãn (2.10) Chú ý rằng khi thì điều kiện (2.7) cho . Khi ấy 2.1.3. Trường hợp đặc biệt Nếu chọn thì công thức (2.6) trở thành (2.11) Hàm ổn định của (2.11) cho phương trình thử là có . Như vậy (2.11) là công thức có tính chất ổn định-L. Trường hợp đặc biệt này đã được xét độc lập trong [9]. Công thức (2.11) trùng với một phương pháp Runge-Kutta, đó là phương pháp Lobatto III C với bảng Butcher 0½-1/21½½ ½½ Tuy nhiên, trong trường hợp tuyến tính, khi ma trận phụ thuộc vào , thì các phương pháp (2.11) và phương pháp Lobatto cho các kết quả khác nhau. Nhận xét Khi thực hiện phương pháp Lobatto III C cho bài toán (1.1)-(1.2), tại mỗi bước ta cần giải hệ phương trình phi tuyến cấp . Những hệ này thường được giải theo phương pháp Newton cải tiến, trong đó gần đúng ban đầu được chọn bởi giá trị đã tính được ở bước trước. Để thực hiện được phương pháp, ta cần phải đưa ra tiêu chuẩn chọn số bước lặp. Các phương pháp giải hệ phương trình tuyến tính cấp đòi hỏi khoảng phép toán số học và phép nhân ma trận đòi hỏi phép toán. Như vậy, để thực hiện phương pháp (2.6), ta cần phép toán, còn để thực hiện phương pháp (1.11) ta chỉ cần phép toán. Bởi vì chúng ta đã thực hiện tuyến tính hóa trong -phương pháp, nên lược đồ (2.6) không thể có bậc hội tụ vượt quá 2. Điều này có thể được cải tiến đáng kể khi hệ (2.1) là hệ phương trình tuyến tính. 2.1.4. Thử nghiệm số Ví dụ 1.1 Hệ phương trình có nghiệm chính xác là Dùng phương pháp của công thức (2.6) để giải số phương trình trên. Gọi -là chuẩn Euclid của sai số tại với bước lưới . Mã nguồn và Chương trình tính toán trên MATLAB được cho trong phần Phụ lục. Kết quả tính toán được cho trong bảng dưới đây.  2.2. Phương pháp không cổ điển giải số hệ phương trình vi phân tuyến tính cấp một Xét trường hợp khi hàm , tức là khi (1.1) trở thành hệ phương trình vi phân tuyến tính (2.12) trong đó là ma trận cỡ , là hàm vectơ chiều có các phần tử khả vi liên tục đến bậc hai (thuộc lớp). 2.2.1. Phương pháp một bước 2.2.1.1. Phương pháp một bước Để giải (2.12), ta cũng bắt đầu đi từ phương pháp- và phương án một tựa của nó (hai phương pháp này đều có cấp chính xác bằng một): và , trong đó . Hai công thức này có thể viết gộp lại thành một hệ phương trình đại số tuyến tính có ẩn là : . (2.13) Nhận thấy rằng hệ (2.13) nói chung không có nghiệm theo nghĩa cổ điển. Để giải (2.13) ta nhân cả hai vế của (2.13) với ma trận cấp . Khi đó (2.13) trở thành: (2.14) Bổ đề 2.1 Công thức (2.14) ổn định với mọi bộ và có bậc hội tụ tối thiểu là một. Chứng minh Do ma trận đứng trước là không suy biến nên (2.14) có thể viết dưới dạng , trong đó Vì các phần tử của và thuộc lớp nên có thể chứng minh được rằng với mọi . Từ đây ta có tính chất ổn định của phương pháp (2.14). Để chứng minh tính hội tụ ta nhận xét rằng, sai số địa phương của phương pháp (2.14) có bậc với mọi giá trị của . Bổ đề được chứng minh. Nhận xét Hệ (2.14) chứa ba hệ số tự do , ta tìm để công thức (2.14) đạt được độ chính xác cao hơn. Viết lại hệ (2.14) như sau: (2.15) Khai triển Taylor tại điểm ta được: Thay vào (2.15) ta được: hay Hệ thức trên đúng với mọi . So sánh hệ số của trong hai vế ta được Hệ số của : . Hệ số của : hay . Hệ số của : Từ hệ phương trình (hệ (2.1)) ta suy ra (2.16) Hệ số của được viết lại như sau: Suy ra hệ số của bằng 0 khi (2.7) được thỏa mãn. Hệ số của : Từ (2.16) suy ra (2.16’) nên hệ số của được viết lại như sau Với điều kiện (2.16) thì hệ số của được viết lại như sau Hệ số của bằng 0 khi Suy ra nếu chọn thì sai số địa phương của (2.14) là bậc bốn. Vậy (2.14) chính xác bậc ba và có dạng (2.17) 2.2.1.2. Phương trình thử Áp dụng công thức (2.17) cho phương trình thử: . Ta có Khi đó (2.17) được viết lại thành: . Suy ra hay với ta có , trong đó Kiểm tra điều kiện ta thấy chứa cả nửa trái mặt phẳng phức. Điều này có nghĩa là công thức (2.14) là phương pháp một bước, một nấc, có chứa phương pháp là ổn định -A và chính xác bậc ba. Nhận xét rằng, nếu các tham số được chọn thỏa mãn điều kiện (2.7) thì ta có lược đồ sai phân chính xác cấp hai. Đặc biệt, chọn thì (2.14) trở thành: . Đây chính là phương pháp hình thang. Có thể kiểm tra được rằng, phương pháp (2.14) cho phương trình thử và phương pháp Runge-Kutta với bảng Butcher 0½-1/22/31/6½ ¼¾cho cùng một kết quả. Tuy nhiên, với là ma trận phụ thuộc vào thì kết quả tính toán theo phương pháp Runge-Kutta với bảng trên và theo phương pháp (2.14) là khác nhau. Nghĩa là chúng là những phương pháp khác biệt. Nhận xét Để thực hiện phương pháp (2.3) cần phép toán số học ( phép toán cần cho nhân ma trận và phép toán giải hệ phương trình tuyến tính). Để thực hiện phương pháp Runge-Kutta hai nấc cần phép toán và phép toán cho phương pháp đường chéo hiển. Như vậy, trong trường hợp tổng quát, phương pháp hai nấc 0 1/2½với có cấp chính xác bậc ba, đòi hỏi số phép toán số học ít hơn phương pháp (2.14). Tuy nhiên, nếu có thể tính ma trận một cách giải tích (dễ dàng làm được khi các phần tử của là các đa thức và ghi vào ô nhớ, thì phương pháp (2.14) có lợi thế hơn so với phương pháp Runge-Kutta hai nấc: Phương pháp (2.14) chỉ cần phép toán số học. Thử nghiệm số Ví dụ 2.1 Phương trình có nghiệm chính xác là Dùng phương pháp của (2.6) để giải số phương trình trên. Gọi -là chuẩn Euclid của sai số tại . Các tính toán được thực hiện trên MATLAB. Mã nguồn và Chương trình được cho trong phần Phụ lục. Kết quả tính toán được cho trong bảng dưới đây.  2.2.2. Phương pháp đa bước Mục này trình bày cách xây dựng các lược đồ sai phân đa bước không cổ điển giải số hệ (2.12) do Bulatov đề xuất (xem [11]). Phương pháp này cho phép xây dựng các lược đồ sai phân với ưu thể hơn các phương pháp cổ điển. Thí dụ, từ phương pháp này có thể xây dựng được các lược đồ sai phân cấp ba hoặc cấp bốn, tương ứng hai hoặc ba bước là ổn định - A. Để giải bài toán (2.12) theo phương pháp đa bước ta bắt đầu đi từ phương pháp khác nhau có cùng bước theo công thức sau: . (2.18) Ở đây chỉ số là chỉ số của phương pháp. Trong các lược đồ (2.18) có thể có các lược đồ ổn định cũng có thể có các lược đồ không ổn định. Viết lại (2.18) thành hệ phương trình đại số tuyến tính có ẩn là như sau: . (2.19) Hệ (2.19) nói chung không có nghiệm theo nghĩa cổ điển. Để giải (2.19) ta nhân cả hai vế của nó với ma trận: (2.20) cấp , trong đó là những hằng số tùy ý. Sau khi nhân với ma trận , hệ (2.19) trở thành: , (2.21) trong đó Vì mỗi lược đồ trong (2.19) có cấp chính xác nên lược đồ (2.21)cũng có cấp chính xác với mọi . Phương pháp chung để xây dựng và khảo sát công thức (2.21) dùng để giải số bài toán (2.12) là: 1. Bắt đầu đi từ công thức (2.18). 2. Xây dựng công thức dạng (2.21) 3. Phân tích (2.21) thành chuỗi Taylor và chọn các hệ số sao cho lược đồ (2.21) có bậc , trong đó , ngoài ra còn tham số tự do. 4. Chọn tham số còn lại để được lược đồ ổn định và trong trường hợp lý tưởng, là ổn định - A. Nhận xét Nếu nhân hai vế của hệ (2.19) với ma trận (2.20a) cấp , trong đó là các hằng số tùy ý, thì một lần nữa ta lại nhận được một lược đồ sai phân bước cổ điển có dạng: . Khác biệt cơ bản của phương pháp do Bulatov đề xuất là xác định bởi công thức (2.20) phụ thuộc vào và , trong khi đó phương pháp cổ điển (2.20a) không phụ thuộc vào và . Dưới đây sẽ minh họa phương pháp nêu trên qua các lược đồ cụ thể. Lược đồ 2.1 Xây dựng lược đồ hai bước chính xác bậc ba giải bài toán (2.12) Để giải phương trình (2.12) bằng phương pháp hai bước, trước hết ta xây dựng một lược đồ sai phân hai bước bậc hai như sau. Theo khai triển Taylor tại ta có: ; Suy ra hay Theo khai triển Taylor tại ta có: Suy ra Theo khai triển Taylor tại ta có: Suy ra Từ (a), (b), (c) ta có một lược đồ sai phân hai bước cấp hai như sau: (2.22) Đưa công thức (2.22) về dạng công thức (2.21) hay . (2.22a) Nhân hai vế của hệ phương trình trên với ma trận ta được: (2.23) hay (2.23’) Khai triển Taylor tại ta được: Thay vào (2.23’) ta được . Chú ý rằng ta chỉ cần đến khai triển của nên các biểu thức chứa được đưa vào công thức do đó không có trong công thức dưới đây, khi ấy công thức (2.23’) được viết lại như sau Hệ số của : . Hệ thức này luôn đúng với mọi . Hệ số của : Hệ thức này luôn đúng với mọi . Hệ số của : Do (2.16) nên hệ số của là . Hệ thức này luôn đúng với mọi . Hệ số của : Do (2.16) nên hệ số của bằng Do (2.16’) nên suy ra hệ số của bằng 0 khi . (2.24) Với điều kiện (2.24) thì lược đồ (2.23) là họ lược đồ sai phân hai bước chính xác bậc ba, tuy nhiên nó chứa cả các phương pháp ổn định và các phương pháp không ổn định. Áp dụng lược đồ (2.23) cho phương trình ổn định ta được: Phương trình sai phân này có phương trình đặc trưng tương ứng là Phương trình này có nghiệm . Lược đồ (2.23) ổn định khi phương trình đặc trưng có nghiệm thoả mãn tức là . Bất phương trình này tương đương với . (2.25) Đặc biệt, nếu chọn thì lược đồ (2.23) được viết lại như sau: ( 2.26) Áp dụng lược đồ (2.26) cho phương trình thử ta được . Phương trình đặc trưng tương ứng là với . Hình 2.1 Miền ổn định của hệ sai phân với được mô tả trên Hình 2.1 (miền gạch là miền không ổn định. Như vậy phương pháp này là ổn định - A. Nhận xét Nếu nhân hai vế của (2.22a) với ma trận thì ta thu được phương pháp Milne . Lược đồ 2. 2 Trong lược đồ này ta xây dựng một phương pháp ba bước chính xác bậc bốn giải bài toán (2.12). Đầu tiên ta xây dựng một lược đồ sai phân ba bước chính xác bậc ba như sau. Theo khai triển Taylor tại ta có: ; ; . Suy ra (a) Khai triển Taylor tại ta có: ; ; . Suy ra . (b) Theo khai triển Taylor tại ta có: ; ; . Suy ra . (c) Theo khai triển Taylor tại ta có: ; ; . Suy ra . (d) Từ (a), ( b), (c), (d) ta có một lược đồ sai phân ba bước chính xác bậc ba như sau: (2.27) Đưa (2.27) về dạng (2.21) hay Nhân hai vế của hệ phương trình trên với ma trận: ta được (2.28) Theo khai triển Taylor tại ta có: Thay vào (2.28) ta được Hệ số của : Hệ thức này luôn đúng với mọi . Hệ số của : Hệ thức này luôn đúng với mọi . Hệ số của : Do (2.16) nên hệ số của bằng 0. Hệ số của : Do (2.16) và (2.16’) nên hệ số của được viết lại như sau Hệ số của : Do (2.16) và (2.16’) nên hệ số của được viết lại như sau Từ (2.16’) ta có thể viết tiếp biểu thức trên như sau: Hệ số của là . Suy ra hệ số của bằng 0 khi . (2.29) Với điều kiện (2.29) thì lược đồ (2.28) là lược đồ ba bước chính xác bậcbốn, tuy nhiên nó chứa cả những lược đồ ổn định và các lược đồ không ổn định. Áp dụng lược đồ (2.29) với cho phương trình thử , ta được Phương trình đặc trưng tương ứng là Imz với . Miền ổn định của phương pháp được mô tả trên Hình 2.2. (miền gạch là miền không ổn định). Do đó phương pháp là ổn định - A, hai hoặc ba bước tương ứng bậc ba hoặc bậc bốn. Hình 2.2 CHƯƠNG 3 Về một phương pháp không cổ điển giải số hệ phương trình vi phân cấp hai Tương tự như trong trường hợp hệ hệ phương trình vi phân cấp một đã trình bày trong Chương 2, trong Chương này chúng tôi trình bày một phương pháp không cổ điển do M. V. Bulatov và G. V. Berghe đề xuất giải hệ phương trình vi phân cấp hai (xem [4], 2009). Một số phương pháp giải hệ phương trình vi phân cấp hai đã được trình bày trong [5], Chương 3.10 (trang 461-474); trong [7], Chương 2.12 (trang 114-120; v.v.,... Hiện nay phương pháp đa bước cũng như các biến thể một cột (one leg versions) của nó đã được nghiên cứu nhiều và đã được áp dụng để giải hệ phương trình vi phân cấp hai tuyến tính và phi tuyến. Phương pháp bước bậc cao thường được xây dựng dưới dạng tổ hợp tuyến tín của một số phương pháp bước bậc thấp hơn. Nội dung cơ bản của phương pháp do Bulatov đề xuất dựa trên việc xây dựng ma trận tổ hợp theo ma trận ban đầu , bước lưới và các tham số. Tổ hợp này cho phép xây dựng một họ các lược đồ sai phân hai bước ổn định - P bậc bốn. 3.1. Phương pháp không cổ điển giải số hệ phương trình vi phân tuyến tính cấp hai 3.1.1. Phương pháp cổ điển Cho phương trình trong đó là ma trận cấp là một hàm vectơ chiều. Các phần tử của ma trận và vectơ là những hàm số đủ trơn. Xây dựng lưới điểm đều trên đoạn [0,1]. Kí hiệu là giá trị xấp xỉ của . Phương pháp tuyến tính bước cổ điển có dạng: . Nếu và thì công thức trên được gọi là công thức đối xứng. Chúng ta đã biết rằng công thức bước có cấp chính xác không vượt quá nếu là số chẵn và không vượt quá nếu là số lẻ (xem [5]. Định lý 10.4, trang 468). Khi công thức trên chính là công thức Numerov chính xác bậc bốn: . 3.1.2. Lược đồ sai phân mới Ký hiệu các toán tử vi phân Xét lược đồ sai phân hai bước giải bài toán (1.1): hay (3.2) Khai triển Taylor tại điểm ta được: Theo (1.1) ta có Suy ra Thay vào (1.2) ta được hay , tức là Như vậy công thức (3.2) là ổn định và có bậc thấp nhất là bậc một nếu điều kiện sau thỏa mãn: . (3.3) Tương tự lược đồ (3.2), xét phương pháp một tựa của nó (one leg variant): . (3.4) Để công thức (3.4) là ổn định và có bậc thấp nhất là bậc một thì các hệ số phải thỏa mãn điều kiện tương tự như điều kiện (3.3), nghĩa là . (3.5) Đặt (các giá trị này thay đổi theo từng bước) Với điều kiện (3.5) ta có: Công thức (3.4) được viết lại thành hay (3.6) Từ (3.2) và (3.6) ta có hệ phương trình như sau: , (3.7) trong đó là ma trận đơn vị cấp , . Hệ (3.7) có số phương trình nhiều hơn số ẩn nên ta không thể tìm nghiệm của hệ (3.7) theo nghĩa cổ điển. Để giải hệ (3.7) ta nhân hai vế của nó với ma trận chữ nhật cỡ với là hệ số tùy ý. Bằng cách này ta thu được một công thức sai phân hai bước có dạng: , (3.8) trong đó Khi điều kiện (3.3) và (3.5) được thỏa mãn thì công thức (3.2) và (3.6) có cấp chính xác là một, cho nên (3.8) cũng có cấp chính xác là một với mọi giá trị của tham số thoả mãn điều kiện (3.3), (3.5) và với mọi giá trị của . Điều đó có nghĩa là (3.8) có tất cả năm tham số tự do, chúng quyết định cấp chính xác của công thức. Công thức (3.8) được viết lại như sau hay Khai triển Taylor tại ta được: Thay vào (3.8’) ta được: Hệ số của đúng với mọi . Hệ số của : đúng với mọi . Hệ số của : Nếu điều kiện (3.3) và (3.5) được thoả mãn thì hệ số của bằng 0, suy ra công thức (3.8) có cấp chính xác bằng một. Hệ số của : Từ (3.1) suy ra nên hệ số của được viết lại như sau: . Vậy hệ số của bằng 0 khi và chỉ khi . (3.10) Hệ số của : Từ (*) suy ra Vậy hệ số của có thể viết lại như sau Hệ số của bằng 0 khi Từ điều kiện (1.10) ta có . Thay vào hệ trên ta được Hệ số của : Từ (*) và (**) suy ra Hệ số của được viết lại như sau: Hệ số của bằng 0 khi và chỉ khi Từ (3.10) và (3.11) ta có Suy ra hệ số của bằng 0 khi và chỉ khi Nếu các tham số thoả mãn điều kiện (3.3), (3.5), (3.10) và (3.11) thì sai số địa phương của công thức (3.8) là O(), lúc này các hệ số là nghiệm của hệ phương trình: Nghiệm của hệ này là Hoặc (3.13) với các tham số tuú ý; Hoặc (3.14) với tham số tuỳ ý, ≠ 0. Nhận xét 3.1 Khi các tham số thoả mãn điều kiện (3.13) thì công thức (3.8) trở thành: (3.15) trong đó Sau khi chia hai vế của công thức (3.15) cho thì ta thu được công thức nổi tiếng Numerov có sai số địa phương là O(). Nhớ lại rằng . Đặt Điều kiện (1.14) vẫn còn hai tham số tự do và ta có phương trình sai phân sau: (3.16) trong đó hệ số của toán tử được xác định bởi công thức (3.14). Sai số địa phương của công thức (3.16) là O(). Bởi vì chúng ta vẫn còn hai tham số tự do là và , nên vẫn còn có ý nghĩa xét phương trình (3.12). Nghiệm của hệ mở rộng là: Hoặc và tuỳ ý. Với nghiệm này ta lại thu được công thức Numerov. Hoặc Hoặc Hai trường hợp này đều cho nên không có ý nghĩa. Hoặc (3.17) Khi các hệ số thoả mãn điều kiện (3.17) thì công thức (3.8) có sai số địa phương là O(). Không thể chọn được các giá trị tương ứng của để tăng độ chính xác cao hơn được nữa. 3.1.3. Tính chất ổn định Với phương trình thử ta có , trong đó , hàm phân thức được gọi là hàm ổn định của phương pháp. Khoảng hội tụ của phương pháp là nếu . Phương pháp là ổn định - P nếu với mọi số thực . Lưu ý rằng phương pháp Numerov có bậc hội tụ cao hơn mọi lược đồ sai phân hai bước, tuy nhiên khoảng hội tụ khá hẹp, chỉ là . Trong mục này ta sẽ nghiên cứu các tính chất ổn định của các phương pháp (3.8) với các hệ số (3.17) đem lại lược đồ phụ thuộc vào một tham số có bậc bốn ; . Ta có Và với điều kiện (3.17) thì (3.8) được viết lại thành Áp dụng công thức (3.18) cho phương trình thử ta được Hay với . Như vậy công thức (3.18) có hàm ổn định tương ứng là Ta có khi và chỉ khi Như vậy những công thức ứng với là ổn định - P. Với các phương pháp có khoảng hội tụ được mở rộng hơn so với công thức Numerov. Bảng dưới đây đưa ra một số ví dụ để so sánh. Nhận xét rằng với ta nhận được phương pháp Numerov. 060,511,5212 Một số đồ thị của với được chỉ ra trong Hình 3.1. Đồ thị phù hợp với lý thuyết đã trình bày ở trên. Hình 3.1 3.1.4. Thử nghiệm số Trong phần này ta tính toán theo lược đồ 3.18 với các giá trị khác nhau của để được các kết quả số trên hai ví dụ kiểm tra. Chúng ta giả thiết rằng khi thực hiện các lược đồ sai phân ta đã biết các giá trị chính xác của dữ liệu đầu vào và . Ví dụ 3.1 Xét phương trình với nghiệm tổng quát là trong đó là hai hằng số tuỳ ý. Cho . Xây dựng trên đoạn [1,10] một lưới với bước lưới là và cho sai số là . Mã nguồn và Chương trình được cho trong Phụ lục. Kết quả tính toán được cho trong Bảng 1 dưới đây. dh = 0.1h = 0.05h = 0.025 Bảng 1. Sai số cho của ví dụ 1 với các giá trị khác nhau của và . Ví dụ 3.2 Xét hệ phương trình với nghiệm chính xác là Trường hợp và đã được xét trước đây. Trong Ví dụ này, ta xét giá trị . Ta đưa vào đại lượng . Xây dựng trên đoạn một lưới với bước , trong đó . Ta có công thức sai phân tương tự trong đó các giá trị được tính từ công thức (3.18). Với các dữ liệu đầu vào thỏa mãn điều kiện (3.17), phương pháp (3.18) cho bước tích phân (với một số giá trị của tham số ) rộng hơn đáng kể. Ta cũng lưu ý rằng khi lược đồ sai phân là ổn định với và khi lược đồ sai phân là ổn định với và là P-ổn định với . Mã nguồn và Chương trình được cho trong phần Phụ lục. Kết quả tính toán cho các giá trị của và các bước khi được cho trong Bảng 2. Bảng 2. Chú thích Dấu * là kí hiệu sai số lớn hơn . 3.2. Phương pháp không cổ điển giải số hệ phương trình vi phân phi tuyến cấp hai Các kết quả trong 3.1 có thể mở rộng cho hệ phi tuyến bậc hai như sau. Xét hệ phương trình phi tuyến bậc hai . (3.20) Tương tự lược đồ (3.2), ta viết lược đồ sai phân sau đây cho bài toán (3.20): . (3.21) Để giải hệ (3.21) ta áp dụng phương pháp Newton để nhận được công thức với và . Ở đây chỉ số trên kí hiệu số bước lặp và . Viết lại hệ trên và thao tác tương tự như (3.6), ta nhận được hệ phương trình đại số tuyến tính , (3.22) trong đó . Hệ (3.22) không có nghiệm cổ điển. Ta cố gắng tìm “nghiệm” của hệ (3.22) tương tự như trong 3.1, tức là nhân hai vế của (3.22) với ma trận . Kết quả ta nhận được hệ không suy biến . (3.23) Ở đây ta chọn làm xấp xỉ ban đầu. Mặc dù các kết quả lý thuyết cho hệ phi tuyến chưa thật sự trọn vẹn, các ví dụ trong [4] chỉ ra rằng, lược đồ (3.23) tỏ ra khá hiệu quả. KẾT LUẬN Luận văn đã trình bày một phương pháp giải số không cổ điển giải bài toán Cauchy cho hệ phương trình vi phân bậc nhất do M. V. Bulatov mới đề nghị gần đây (2003-2008) và một phương pháp giải số bài toán Cauchy cho hệ phương trình vi phân bậc hai không cổ điển của M. V. Bulatov và G. V. Berghe (2009). Mặc dù các kết quả lý thuyết cho hệ phi tuyến bậc hai cũng như các phương pháp tổng quát không đối xứng cho cả hệ tuyến tính và hệ phi tuyến chưa thật sự trọn vẹn, các ví dụ trong [4] chỉ ra rằng, lược đồ (3.23) tỏ ra khá hiệu quả. Vì vậy phương pháp do Bulatov (và Berghe) đề xuất đáng đựoc quan tâm và tiếp tục phát triển. Trong quá trình trình bày các kết quả trên, chúng tôi đã phải tính toán công phu, tỷ mỷ và cẩn thận trong chứng minh lý thuyết (phân tích các hàm nhiều biến vào chuỗi Taylor, diễn giải chi tiết các công thức), đồng thời chúng tôi cũng lập trình trên MATLAB và thực hiện tính toán trên máy nhằm kiểm nghiệm lại bốn ví dụ trong [4] và [11]. Tiếc rằng không có đủ thời gian để chúng tôi có thể sử dụng phần mềm tính toán Maple để tính tự động đạo hàm cũng như sử dụng cơ sở Grobner để giải các hệ phương trình đa thức nảy sinh trong các lược đồ mở rộng các kết quả của [4] và [9]-[11]. Hy vọng những vấn đề này sẽ được tiếp tục nghiên cáu trong thời gian tới. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Kỳ Anh (1996), Giải tích số, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội. [2] Tạ Duy Phượng (2009), Một số Chương của Giải tích số và thực hành tính toán, Giáo trình Cao học, Viện Toán học, Hà Nội. [3] U. M. Ascher, L. R. Petrold (1998), Computer Methods for Ordinary Differential Equations and Differential-Algebraic Equations, SIAM. [4] M. V. Bulatov, G. V. Berghe (2009), Two-step fourth order methods for linear ODEs of the second order, Numer. Algorithms, 51, No4, pp. 449-460. [5] E. Hairer, S. P. Nørsett, G. Wanner (1993), Solving Ordinary Differential Equations I Nonstiff Problems, Springer-Verlag. [6] J. D. Lambert (1991), Numerical Methods for Ordinary Differential Systems The Initial value Problem, John Wiley & Son Ltd. England. [7] D. Quiney (1987), An Introduction to the Numerical Solution of Differential Equations, John Wiley & Son Inc., England. [8] J. Stoer, R. Burlisch (2002), Introduction to the Numerical Analysis, Springer-Verlag, New York. [9]. M. В. Булатов (2003), О построении 1-стадийного L-устойчивого метопа второго порядка, Дифференциальные уравнения, том 39, No4, с.554-556. [10]. M. В. Булатов (2005) Построение неклассичиских многошаговых схем для линейнынх оду , Доклады академии наук, том 404, No1, с.11-13. [11]. M. В. Булатов (2008), О построении неклассических разностных схем для обыкновенных дифференциальных уравнений, Дифференциальные уравнения, том 44, No4, с.546-557. MỤC LỤC Lời nói đầu 1 TOC \o "1-3" \h \z \u  1.  HYPERLINK \l "_Toc155386683" Kiến thức chuẩn bị  PAGEREF _Toc155386683 \h 3  HYPERLINK \l "_Toc155386684" 1.1. Bài toán Cauchy giải hệ phương trình vi phân  PAGEREF _Toc155386684 \h 3  HYPERLINK \l "_Toc155386685" 1.2. Giải số bài toán Cauchy  PAGEREF _Toc155386685 \h 4  HYPERLINK \l "_Toc155386686" 1.2.1. Quy tắc cầu phương cơ bản và giải số phương trình vi phân  PAGEREF _Toc155386686 \h 4  HYPERLINK \l "_Toc155386687" 1.2.2. Phương pháp Runge-Kutta  PAGEREF _Toc155386687 \h 9  HYPERLINK \l "_Toc155386688" 1.2.3. Phương pháp cổ điển đa bước  PAGEREF _Toc155386688 \h 12  HYPERLINK \l "_Toc155386689" 1.3. Mô hình thử và ổn định của phương pháp số  PAGEREF _Toc155386689 \h 13  HYPERLINK \l "_Toc155386690" 1.3.1. Mô hình thử  PAGEREF _Toc155386690 \h 13  HYPERLINK \l "_Toc155386691" 1.3.2. Ổn định của phương pháp Euler  PAGEREF _Toc155386691 \h 14  HYPERLINK \l "_Toc155386692" 1.3.3. Ổn định của phương pháp Runge-Kutta  PAGEREF _Toc155386692 \h 16  HYPERLINK \l "_Toc155386693" 1.3.4. Ổn định của phương pháp đa bước  PAGEREF _Toc155386693 \h 18  HYPERLINK \l "_Toc155386694" 1.3.5. Ổn định của phương pháp sai phân hữu hạn  PAGEREF _Toc155386694 \h 18  HYPERLINK \l "_Toc155386695" 2. HYPERLINK \l "_Toc155386696" Về một phương pháp không cổ điển giải số hệ phương trình vi phân cấp một  PAGEREF _Toc155386696 \h 20  HYPERLINK \l "_Toc155386697" 2.1. Phương pháp không cổ điển giải số hệ phương trình vi phân phi tuyến cấp một  PAGEREF _Toc155386697 \h 20  HYPERLINK \l "_Toc155386698" 2.1.1. Phương pháp tổng quát  PAGEREF _Toc155386698 \h 20  HYPERLINK \l "_Toc155386699" 2.1.2. Phương trình thử  PAGEREF _Toc155386699 \h 24  HYPERLINK \l "_Toc155386700" 2.1.3. Trường hợp đặc biệt  PAGEREF _Toc155386700 \h 25  HYPERLINK \l "_Toc155386701" 2.1.4. Thử nghiệm số  PAGEREF _Toc155386701 \h 26  HYPERLINK \l "_Toc155386702" 2.2. Phương pháp không cổ điển giải số hệ phương trình vi phân tuyến tính cấp một  PAGEREF _Toc155386702 \h 27  HYPERLINK \l "_Toc155386703" 2.2.1. Phương pháp một bước  PAGEREF _Toc155386703 \h 27  HYPERLINK \l "_Toc155386704" 2.2.2. Phương pháp đa bước  PAGEREF _Toc155386704 \h 34 i  HYPERLINK \l "_Toc155386705" 3.  HYPERLINK \l "_Toc155386706" Về một phương pháp không cổ điển giải số hệ phương trình vi phân cấp hai  PAGEREF _Toc155386706 \h 50  HYPERLINK \l "_Toc155386707" 3.1. Phương pháp không cổ điển giải số cấp hai  PAGEREF _Toc155386707 \h 50  HYPERLINK \l "_Toc155386708" 3.1.1. Phương pháp cổ điển  PAGEREF _Toc155386708 \h 50  HYPERLINK \l "_Toc155386709" 3.1.2. Lược đồ sai phân mới  PAGEREF _Toc155386709 \h 51  HYPERLINK \l "_Toc155386710" 3.1.3. Tính chất ổn định  PAGEREF _Toc155386710 \h 63  HYPERLINK \l "_Toc155386711" 3.1.4. Thử nghiệm số  PAGEREF _Toc155386711 \h 66  HYPERLINK \l "_Toc155386712" 3.2. Phương pháp không cổ điển giải số hệ phương trình phi tuyến cấp hai  PAGEREF _Toc155386712 \h 68  HYPERLINK \l "_Toc155386713" Kết luận  PAGEREF _Toc155386713 \h 70  HYPERLINK \l "_Toc155386714" Tài liệu tham khảo  PAGEREF _Toc155386714 \h 71 Phụ lục 72 ii 

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docVề một phương pháp không cổ điển giải số phương trình vi phân bậc nhất và bậc hai.doc