Участник:Rpu6/Алгоритм построения приближённого решения нерегулярно вырождающегося эллиптического дифференциального уравнения

Автор описания: Д. П. Емельянов.

1 Свойства и структура алгоритма

1.1 Общее описание алгоритма

Алгоритм позволяет построить приближения к точному решению эллиптического дифференциального уравнения с нерегулярным вырождением и аналитическими коэффициентами в прямоугольнике. Точные формулы решения уравнения и их строгое обоснование получены с использованием метода спектрального выделения особенностей. Решение строится в виде ряда. Погрешность алгоритма заключается в замене рядов на конечные суммы.

Алгоритм решает следующую задачу:

[math] \begin{cases} y^2u''_{yy}+u''_{xx}+c(y)u'_y-a(y)u=f(x,y),(x,y)\in(0,1)\times(0,b), \\ u(0,y)=u(1,y)=u(x,b)=0,|u(x,0)|\lt +\infty. \end{cases}[/math]

Функции [math]a(y), c(y)[/math] полагаем аналитическими в круге [math]|y|\lt R[/math], где [math]R\gt b[/math]. Кроме того, [math]c(y), a(y) \ge 0[/math] в [math][0,b][/math], [math]c(0)=0[/math].

1.2 Математическое описание алгоритма

1. Приблизим функцию [math]f(x,y)[/math] конечными суммами ряда Фурье по [math]x[/math]:

[math]f(x,y)=\sum_{k=1}^{K}f_k(y)\sin \pi kx.[/math]

[math]f_k(y)=4\int\limits_0^1f(x,y)\sin \pi kx\,dx.[/math]

Для интеграла следует использовать квадратурную формулу.

2. Приблизим функции [math]f_k(y),a(y),c(y)[/math] полиномами:

[math]a(y)=\sum_{n=0}^{N}a_ny^n, c(y)=\sum_{n=1}^{N}c_ny^n, f_k(y)=\sum_{n=0}^{N}f_{kn}y^n.[/math]

Разложение можно проводить по аналогии с разложением в ряд Фурье, но с использованием полиномов Лежандра.

3. Введём в рассмотрение числа:

[math]\lambda_k=\pi^2k^2+a_0, k = \overline{1,K},[/math]

[math]r_k=\frac{1-c_1 + \sqrt{(c_1-1)^2+4\lambda_k}}{2}, k = \overline{1,K}.[/math]

4. Построим функции (они потребуются для построения приближённого решения):

[math]\eta_k(y)=\sum_{n=0}^{N}\eta_{kn}y^n, \stackrel{\circ}{\varphi}_k(y)=\sum_{n=0}^{N}\varphi_{kn}y^n,[/math]

[math]\begin{matrix} \eta_{kn}=\frac{f_{kn}-\sum_{l=2}^{n+1}c_l(n+1-l)\eta_{k,n+1-l}+ \sum_{l=1}^{n}a_l\eta_{k,n-l}}{n(n-1)+nc_1-\pi^2k^2-a_0},n = \overline{1,N},\\ \varphi_{kn}=\frac{ \sum_{l=1}^na_l\varphi_{k,n-1}- \sum_{l=2}^{n+1}(n-l+1+r_k)c_l\varphi_{k,n-l+1} }{n(n-1)+2nr_k+nc_1} ,n= \overline{1,N},\\ \eta_{k,0}=\frac{f_{k,0}}{-\pi^2k^2-a_0}, \varphi_{k,0}=1, \varphi_k(y)=-\frac{\eta_k(b)}{\stackrel{\circ}{\varphi}_k(b)}\stackrel{\circ}{\varphi}_k(y). \end{matrix}[/math]

5. Построим приближение к решению:

[math]u(x,y)=\sum_{k=1}^{K}\left(\left(\frac{y}{b}\right)^{r_k}\varphi_k(y)+\eta_k(y)\right)\sin \pi kx.[/math]

За счёт выбора [math]K[/math] и [math]N[/math] можно добиться той или иной точности.

3 Литература

<references \>