Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши

Рассмотрим задачу Коши Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru , Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru (1) и Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru (2). На Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru введем сетку Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru , Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru , Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru . Рассмотрим многошаговый метод, определяемый формулой

Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru , Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru (3). Для реализации вычислений по формуле (3) в начале необходимо найти разгонные значения. Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru берется из (2), Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru находящееся одинаковым методом(например методом Рунге-Кутта).

Если Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru – точное решение задачи (1),(2), то при подстановке его в (3) будем иметь: Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru , (4)

Вычитая из (3)-(4) для погрешности Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru будем иметь уравнения: Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru (5).

Обозначим

Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru ,

Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru .

Теперь (5) перепишем в виде

Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru (6). К (6) добавим равенство Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru (7).

Равенство (6),(7) запишем в следующем виде

Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru (8), где Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru , Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru , Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru а Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru - матрица Фробениуса.

Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru

Отметим, что начальное условие для (8) Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru , т.е. компоненты начального вектора Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru есть погрешности, полученные при вычислении разгонных значений одношаговым методом. Уравнение (8) называется канонической формой многошагового метода (3) для погрешностей. Рассмотрим характеристический многочлен Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru матрицы Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru , где Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru называется характеристическим многочленом метода (3).

Обозначим через Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru - корни многочлена Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru .

Рассмотрим влияние корней Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru на устойчивость метода (3). Предположим, что некоторые Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru удовлетворяют условию Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru . Пусть Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru собственный вектор матрицы Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru , отвечающий собственному значению Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru . Предположим, что начальный вектор Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru уравнения (8) таков, что Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru . Тогда, в случае однородного уравнения (8) будем иметь: Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru . Поскольку Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru , то в этом случае общее решение неоднородного уравнения (8) будет содержать быстро растущее по норме слагаемое. А значит, вычисление по (8) будет неустойчивыми, т.е. сильно чувствительными к начальной погрешности. Пусть теперь Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru , но кратность Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru числа Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru как корня характеристического уравнения Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru больше 1, т.е. Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru . Для хар-ой матрицы

Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru при Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru

(строки со второй по линейно независимы). Значит, в канонической форме Жордана матрица Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru будет содержать Жорданову клетку порядка больше 1. Например, если Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru , такой клеткой будет Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru . Очевидно, что Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru , а значит, общее решение уравнения (8) также будет содержать быстро растущее по норме слагаемые. Из всего этого следует следующее утверждение.

Теорема. Для того, чтобы многошаговый метод (3) был устойчивый, необходимо, чтобы все корни характеристического многочлена Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru метода (3) не лежали за пределами единичного круга, а среди корней, лежащих на границе единичного круга, не было кратных.

Опр. Если корни характеристического уравнения (3) удовлетворяет условию теоремы, то говорят, что метод (3) удовлетворяет условию корней.

Лемма. Пусть многошаговый метод (3) удовлетворяет условию корней. Тогда существует векторная норма Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru , что для подчиненной матричной нормы выполняется Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru .

Док-во. Пусть Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru некоторая положительное число. Если Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru собственные значения матрицы Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru , то Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru - собственные значения матрицы Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru . Пусть преобразование Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru приводит матрицу Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru к канонической форме Жордана. Тогда каждая строка матрицы Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru будет иметь вид: Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru , где число Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru принимает значение Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru или Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru в зависимости от номера строки и кратности числа Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru . Тогда каждая строка матрицы Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru имеет вид: Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru . Пусть кратность корня Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru . Тогда в строках матрицы Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru , содержится число Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru . Поэтому сумма модулей элементов этих строк равна Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru . Пусть кратность корня Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru . Тогда в силу условия корней Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru , а значит при Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru , сумма модулей элементов строки меньше либо равна Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru и Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru при достаточно большом Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru .

Таким образом, что Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru (9).

Определим вектор норму Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru . Тогда имеем оценку

Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru (10).

Согласно определению подчиненной матричной нормы.

Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru Поэтому из (10) следует, что Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru , а из (9) следует что Условие корней многошаговых методов решения задачи Коши - student2.ru . Доказано.


Наши рекомендации