第 1章 Burgers 方程的差分方法
引 言
Burgers 方程是描述许多物理现象的模型方程, 如流体力学、非线性声学、气体动力学、交通流动力学问题. Burgers 方程也可以作为流体动力学 Navier-Stokes 方程的简化模型. 近年来, 求解 Burgers 方程的数值方法受到科研人员的广泛关注.
考虑一维非线性 Burgers 方程初边值问题
其中 为动力黏性系数, 为给定函数, .
在介绍差分格式之前, 我们先用能量方法给出问题 (1.1)-(1.3) 解的先验估计式.
定理 设 为问题 (1.1)-(1.3) 的解. 记
则有
证明 用 乘以 的两边, 可得
将上式两边关于 在区间 上积分, 并利用 (1.3), 得到
可将上式写为
即
因而
二层非线性差分格式
记号及引理
为了用差分格式求解问题 , 将求解区域 作剖分. 取正整 数 . 将 作 等分, 将 作 等分. 记 称在直线 上的所有结点 为第 层结点. 此外, 记 .
记
设 , 引进如下记号:
易知
设 , 引进内积、范数及半范数
如果 为复空间, 则相应的内积定义为
其中 为 的共轭.
记
没 , 引进如下记号:
易知
设 为 上的网格函数, 则 为 上的网格函数, 为 上的网格函数.
引理 (a) 设 , 则有
(b) 设 , 则有
(c) 设 , 则有
且对任意 , 有
(d) 设 , 则
(e) 设 , 则有
且对任意 , 有
证明 我们仅证明(c)和 .
(c) 由 , 当 时, 有
因而
类似地, 注意到 , 可得
将以上两式相加得到
容易得到
对任意的 有
(e) 当 时,
易知上式对 也是成立的.
记
将 乘以 并对 从 0 到 求和得到
由上式易得
即
对任意的 , 有
下面我们给出几个常用的数值微分公式.
引理 ([4]) 设 为给定的常数, 且 .
(a) 如果 , 则有
(b) 如果 , 则有
(c) 如果 , 则有
(d) 如果 , 则有
(e) 如果 , 则有
(f) 如果 , 则有
如果 , 则有
(g) 如果 , 则有
如果 , 则有
(h) 如果 , 则有
差分格式的建立
定义 上的网格函数 , 其中
在 处考虑方程 (1.1), 有
应用引理 , 有
将 (1.7)-(1.10) 代入 (1.6), 得到
存在常数 使得
注意到初边值条件 (1.2)-(1.3), 有
在 (1.11) 中略去小量项 , 用 代替 , 对问题 (1.1)-(1.3) 建立如下差 分格式
差分格式 是一个二层非线性差分格式.
差分格式解的守殂性和有界性
差分格式 (1.15) 中的非线性项可作如下变形
没 , 定义
则
于是 (1.15) 可以写为
将 写为 , 可将 看成为后者在 处 的离散化.
算子 具有如下结论.
引理 设 , 则有
证明
定理 设 是差分格式 (1.15)-(1.17) 的解. 令
则有
证明 注意到差分格式 (1.15) 可写成
用 与上式作内积, 可得
注意到 , 有
因而
将上式中的 换为 , 并对 从 0 到 求和, 得
将上式变形即得 (1.18).
由定理 易知
差分格式解的存在性和唯一性
我们借助于下列 Browder 定理证明差分格式解的存在性.
定理 (Browder 定理 ) 设 是一个有限维内积空间, 是导出范数算子, 是连续的. 进一步假设存在常数 , 对于任意的 ,|z|=\alpha\operatorname{Re}(\Pi(z), z) \geqslant 0z^{} \in H\Pi\left(z^{}\right)=0\left|z^{*}\right| \leqslant \alpha$.
定理 差分格式 (1.15)-(1.17) 存在解.
证明 由 (1.16)-(1.17) 知第 0 层值 已给定. 设已求得第 层的解 . 令
则有
由 (1.15), (1.17) 可得关于 的方程组
对于任意的 , 定义内积
则 为一个内积空间, 为导出范数.
定义
则 为 上的连续函数, 应用引理 , 可得
因而当 时, . 由定理 知存在 使得 , 且 , 即 存在解 . 定理 记 因当 时, 差分格式 (1.15)-(1.17) 的解是唯 一的.
证明 由定理 的证明可知只要证明 (1.19)-(1.20) 的解是唯一的.
设 有两个解 , 即
令
将 (1.21)-(1.22) 与 (1.23)-(1.24) 相减, 得
由定理 知存在常数 使得
用 与 作内积, 得
由
及引理 得
因而
由 得
由引理 1.1(c) 知, 对任意 , 有
因而
取 , 则有
当 时 , 即 (1.19)-(1.20) 的解是唯一的.
差分格式解的收敛性
我们先给出重要的 Gronwall 不等式.
定理 (a) 设 是一个非负序列, 和 是两个非负常数, 且满足
则有
(b) 设 和 是两个非负序列, 为非负常数, 且满足
则有
(c) 设 是非负序列, 和 是两个非负常数, 且满足
则有
(d) 设 是非负序列, 是非负单调递增 (不必严格单调), 且满 足
则有
证明 (a)
(b)
(c) 易知
令
则有
递推可得
因而
(d) 易知
令
则
应用 (b) 之结果, 得
记
定理 设 为问题 (1.1)-(1.3) 的解, 为差分格式 的解, 记
则存在常数 使得
证明 将 和 相减, 得到误差方程组
用 与 作内积, 得
易知
注意到
再应用引理 , 可得
将 (1.34) 和 (1.35) 代入 (1.33), 可得
上式两边约去, 得到
即
由 Gronwall 不等式 (定理 1.6), 并注意到 , 得
其中 .
三层线性化差分格式
差分格式的建立 }
在点 处考虑方程 (1.1), 并注意到 (1.2), 有
Hㄹ
在点 处考虑方程 (1.1), 并应用 Taylor 展开式, 有
且存在常数 使得
在点 处考虑方程 (1.1), 并应用 Taylor 展开式, 得到
且存在常数 使得
注意到初边值条件 (1.2) 和 (1.3), 有
在 中略去小量项, 对问题 (1.1)-(1.3) 建立如下差分格式
差分格式解的存在性和唯一性
定理 差分格式 (1.42)-(1.45) 的解是存在唯一的.
证明 由 和 知第 0 层的值 已给定. 由 和 可得 关于第 1 层值 的线性方程组. 考虑其齐次方程组
用 与 作内积, 得
由 和 得
因而 . 方程组 (1.46)-(1.47) 只有零解. (1.42), (1.45) 唯一确定 .
现设第 层值 和第 层值 已确定, 则由 和 可得关 于 的线性方程组. 考虑其齐次方程组
用 与 作内积, 得
由 及 得
因而 方程组 (1.48)-(1.49) 只有零解. 因而 和 (1.45) 唯一确定
由归纳原理, 定理证毕.
差分格式解的守恒性和有界性
定理 设 为 的解. 则有
其中
证明 (I) 用 与 作内积, 得
由
得
即
(II) 用 与 (1.43) 作内积, 得到
易得
或
上式可进一步写为
因而
注 1.1 (1.50) 和 可以统一写为
注 由 和 可得
差分格式解的收敛性
定理 设 为问题 的解, 为差分格式 的解. 记
则存在常数 , 当 时成立
证明 将 与 相减, 得误差方程组
我们将用数学归纳法证明所要求的结果.
由 得
故 (1.54) 及 (1.55) 对 成立.
(I) 用 与 作内积, 得
注意到
有
再注意到
有
再由 , 得到
当 时
或
(II) 将 与 作内积, 得
或
易知
设 (1.54) 对 成立. 则当 , 有
注意到
以及 , 有
此外,有
将以上两式代入 (1.62), 得
两边乘以 , 并移项, 得
即
易知
由 Gronwall 不等式, 得
注意到 可得
其中
即 (1.54) 对 成立. 由归纳原理知 (1.54) 对 成立. 由 及引理 1.1(b) 得到 .
Hopf-Cole 变换与高阶差分格式
Hopf-Cole 变换
令
则有
将上式代入 (1.1), 得到
即
或
上式又可以写成
因而
可以将上式写成
上式两边同乘以 , 则可得到
则
即对于任意 , 不影响 . 因而取 . 于是得到如下等价问题
其中
称 (1.66) 为 Hopf-Cole 变换.
差分格式的建立}
下面给出几个带积分余项的数值微分公式.
引理 记 .
(a) 设 , 有
(b) 设 , 有
(c) 设 , 有
设 定义平均值算子 :
设 存在解 . 定义网格函数
由 (1.67) 和 (1.69) 可得
在点 处考虑方程 (1.67), 有
应用引理 , 可得
其中
用算子 作用上述等式的两边, 得
应用引理 并注意到 (1.71)-(1.72), 得到
存在常数 使得
注意到初值条件
在 (1.73)-(1.75) 中略去小量项, 对 (1.67)-(1.69) 建立如下差分格式
差分格式解的存在性和唯一性}
引理 设 , 则有
证明 由
得到
易知
由
易得
定义 上的范数
由引理 知 和 等价.
定理 差分格式 (1.78)-(1.81) 的解是存在唯一的.
证明 第 0 层的值 是由(1.81)给定. 设已得到第 层的值 , 则由 (1.78)-(1.80) 可得关于第 层值 的线性方程组. 考虑其齐次方程组
用 与 相乘, 用 与 相乘, 用 与 相 乘, 并将所得结果相加, 得
由上式易得
因而
即 只有零解. 于是 唯一确定 .
差分格式解的收敛性
定理 设 是问题 (1.67)-(1.69) 的解, 是差分格式 的解. 令
则存在常数 使得
证明 将 (1.73)-(1.75), (1.77) 和 (1.78)-(1.81) 相减, 得到误差方程组
相乘, 并将结果相加, 得到
即
对上式右端用 Cauchy-Schwarz 不等式, 并应用引理 , 得
两边约去 得到
因而
由 和 , 得到
再次应用引理 , 得
(II) 用 与 相乘, 用 与 (1.89) 相乘, 用 与 (1.90) 相乘, 并将结果相加, 得
即
因而
递推可得
于是
(III) 由 和引理 1.1(b) 得
原问题解的计算
设 , 则存在常数 使得
由变换 (1.66) 有
利用 可得
存在常数 使得
在 (1.95)-(1.97) 中略去小量项, 得到如下计算格式
利用定理 的结果可以证明
小结与延拓
本章讨论了 Burgers 方程的差分方法. 首先证明了问题 (1.1)-(1.3) 的解满足 能量守恒性. 接着在 节和 节分别介绍了二层非线性差分格式和三层线性化 差分格式. 证明了差分格式解的存在性、唯一性、有界性和收敛性. 三层线性化差 分格式的有关结果主要取材于 [30].
对于问题 (1.1)-(1.3) 可建立如下二层线性化差分格式
可以证明差分格式 (1.102)-(1.104) 是唯一可解的, 在无穷范数下关于时间步长和空 间步长均是二阶收玫的.
文 [39] 研究了二维 Burgers 方程的二阶差分方法.
应用 Hopf-Cole 变换可将 Burgers 方程的初边值问题 (1.1)-(1.3) 变为线性的 热传导方程的初边值问题 (1.67)-(1.69). 对 , 我们建立了紧致差分格 式 证明了 (1.78)-(1.81) 解的存在性和唯一性以及解在无穷范数下关 于时间步长 2 阶、空间步长 4 阶的收敛性. 如果在 (1.78)-(1.81) 中用单位算子 代替平均值算子 , 得到如下格式
该差分格式是唯一可解的, 在无穷范数下关于时间步长和空间步长均是二阶收 敛的.
我们借助于 Browder 定理证明了非线性方程组 (1.19)-(1.20) 解的存在性. 与 Browder 定理相伴的还有一个 Leray-Schauder 定理 [43]. 设 是一个有限维内积空间, 是导出范数. 考虑 的算子 , 其中 为参数. 如果 满足如下条件:
(a) 是 上的连续算子;
(b) 有唯一解;
(c) 的一切可能解有一致的界,
则对任意 存在解. 特别地, 存在解.
现在用上述结论来证明定理 , 即证明 存在解.
令 对任意的 , 定义
易知 (a) 是连续的; (b) 是一个严格对角 占优的三对角线性方程组, 故有唯一解. 现在来检验 (c). 设 是 可能 的解. 用 和 作内积, 得
利用
得
于是
易知
条件 (c) 满足. 由 Leray-Schauder 定理. (1.19)-(1.20) 存在解.