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diff --git a/content/numerik_dgl.tex b/content/numerik_dgl.tex index f936901..81826fc 100644 --- a/content/numerik_dgl.tex +++ b/content/numerik_dgl.tex @@ -385,6 +385,8 @@ Für die Konsistenzordnung $p$ von strikt stabilen linearen $k$-Schrittverfahren \subsection*{Adams-Verfahren} +Verallgemeinerung der Euler-Verfahren. + Setze $\rho(\xi) := \xi^k - \xi^{k-1}$ s.d. einfache Nst. $\xi=1$ und $(k-1)$-fache Nst. $\xi = 0$ gegeben sind. Dies ergibt: \vspace*{-2mm} @@ -396,4 +398,83 @@ Für implizites Verfahren: $p = k+1$ mit $\beta_k \neq 0$. \section*{Partielle Differentialgleichungen} +Lineare Differentialgleichungen in $d$ Variablen: + +\vspace*{-4mm} +$$-\sum_{i,j=1}^d a_{i,j}(x)\partial_{x_i x_j}^2 u + \sum_{i=1}^d b_i(x) \partial_{x_i} u + c(x)u(x) = f(x)$$ + +$A(x) := \{a_{i,k}(x)\}_{1\leq i,k \leq d}$ ist symmetrisch. + +\subsection*{Nicht erschöpfende Klassifikation} + +DGL ist \emph{elliptisch} in $x$, falls $A(X)$ pos. def. ist. + +\spacing + +DGL ist \emph{hyperbolisch} in $x$, falls $A(X)$ $1$ negativen und $d-1$ positive Eigenwerte hat. + +\spacing + +DGL ist \emph{parabolisch} in $x$, falls $A(X)$ pos. semidef. und Rang von $((A(x),b(x)) \in \R^{d \times (d+1)}$ maximal ist. + + \subsection*{Finite Differenzen} + +Für $d \in \N$, Auflösung $n \in \N$ und Knotenabstand $h = \frac{1}{n+1}$ sei Gitter $\mathcal{G}_h$ auf \emph{Rechteckgebiet} $\Omega = (0,1)^d$ gegeben als: + +\vspace*{-4mm} +\begin{align*} + \mathcal{G}_h &:= \left\{ x \in \overline\Omega | x = hi, i \in [n+1]^d\right\} &\text{Gitter} \\ +\mathcal{G}_h^o &:= \mathcal{G}_h \cap \Omega &\text{innere Knoten} \\ +\mathcal{G}_h^\partial &:= \mathcal{G}_h \setminus \mathcal{G}_h^o &\text{Randknoten} +\end{align*} + +Dabei sind $v_h : \mathcal{G}_h \to \R$ \emph{Gitterfunktionen}: + +\vspace*{-4mm} +\begin{align*} +V_h &:= \left\{ v_h : \mathcal{G}_h \to \R \right\} \simeq \R^{|\mathcal{G}_h|} \\ +V_h^o &:= \left\{ v_h : \mathcal{G}_h^o \to \R \right\} \\ +V_h^\partial &:= \left\{ v_h : \mathcal{G}_h^\partial \to \R \right\} +\end{align*} + +\subsubsection*{Diskrete Differentialoperatoren} + +Für $\ell = 1,\dots,d$ und Einheitsvektoren $e^{(\ell)} \in \R^d$ sei für $x \in \mathcal{G}_h^o$ \emph{diskreter Differentialoperator} definiert: + +\vspace*{-4mm} +\begin{align*} +\partial_\ell^{+h} v(x) &= \frac{1}{h} \left( v(x+he^{(\ell)}) - v(x) \right) &\text{ Vorwärts} \\ +\partial_\ell^{-h} v(x) &= \frac{1}{h} \left( v(x) - v(x-he^{(\ell)}) \right) &\text{ Rückwärts} \\ +\partial_\ell^{h} v(x) &= \frac{1}{h} \left( v(x+he^{(\ell)}) - v(x - he^{(\ell)}) \right) &\text{ Zentral} +\end{align*} + +\emph{Diskreter Laplace-Operator} $\Delta_h : V_h \to V_h^o$ ist geg.: + +\vspace*{-2mm} +$$\Delta_h v_h(x) := \sum_{\ell = 1}^d \partial_\ell^{+h} \partial_\ell^{-h} v_h(x)$$ + +Der \emph{allgemeine lineare Differentialoperator}: + +\vspace*{-4mm} +$$Lv(x) = -a(x)\Delta v(x) + \vec{b}(x) \cdot \nabla v(x) + c(x)v(x), \ x \in \Omega$$ + +wird auf $V_h$ für $x \in \mathcal{G}_h^o$ mit z.B. $\nabla^h := \left(\partial_1^h,\dots,\partial_d^h\right)$ approximiert durch: + +\vspace*{-4mm} +$$L_h v_h(x) = -a(x)\Delta_h v_h(x) + \vec{b}(x) \cdot \nabla^h v(x) + c(x)v_h(x)$$ + +\subsubsection*{Konsistenz von Operatoren} + +Der \emph{Restriktionsoperator} $I_h : \mathcal{C}^0(\overline\Omega) \to V_h$ ist def. als $I_h v(x) = v(x)$ für $x \in \mathcal{G}_h$. + +\spacing + +$L_h : V_h \to V_h^o$ und $L : \mathcal{C}^\infty(\Omega) \to \mathcal{C}^\infty(\Omega)$ sind \emph{konsistent} von Ordnung $\kappa > 0$ bzgl. $\|\cdot\|_h$ auf $V_h$, wenn: + +\vspace*{-4mm} +$$\forall v \in \mathcal{C}^\infty(\Omega) : \|I_h^o Lv - L_h I_h v\|_h \leq C h^\kappa \text{ für } h \to \infty$$ + +Norm $\|\cdot\|_{h,\infty}$ auf $V_h$ ist def.: $\|v_h\|_{h,\infty} := \displaystyle\max_{x \in \mathcal{G}_h} |v_h(x)|$ + +\subsubsection*{Differenzensterne} |