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      三次B樣條有限體積元法

      2018-06-22 11:26:30秦丹丹申延成黃文竹
      關(guān)鍵詞:有限元法邊值問題元法

      秦丹丹, 馮 雪, 申延成, 黃文竹

      (1.空軍航空大學(xué) 基礎(chǔ)部, 吉林 長春 130022;2.貴州醫(yī)科大學(xué) 生物與工程學(xué)院, 貴州 貴陽 550025)

      0 引 言

      由于B樣條函數(shù)是對(duì)稱單峰值函數(shù),并且具有光滑性好、緊支集等特點(diǎn),在插值逼近和微分方程求解問題中有廣泛應(yīng)用。B樣條函數(shù)的光滑性要優(yōu)于Lagrange和Hermite型樣條函數(shù),并且以B樣條為基函數(shù)的有限元空間只有一組基函數(shù),而Lagrange和Hermite型有限元空間都是兩組基函數(shù),因此,在微分方程的數(shù)值計(jì)算中,B樣條函數(shù)是值得研究的。以B樣條為基函數(shù)的有限體積元法生成的剛度矩陣是稀疏的,并且有對(duì)稱性和正定性,便于計(jì)算實(shí)現(xiàn)??梢哉f,B樣條有限體積元法兼具差分法和有限元法的優(yōu)點(diǎn)?;谝陨峡紤],文中構(gòu)造了三次B樣條有限體積元法。

      1 B樣條的定義與性質(zhì)

      B樣條函數(shù)有多種定義方法,文中介紹兩種。文中m和n都是正整數(shù)。

      Mm(x)=Mm[xj,xj+1,…,xj+m;x]=

      稱Mm(x)為關(guān)于節(jié)點(diǎn)xj,xj+1,…,xj+m的m階m-1次B樣條函數(shù)[1]。

      文中用到的等距B樣條函數(shù)與定義1有所不同,按照下面的遞推關(guān)系式給出。

      定義2m階B樣條的卷積定義式[1-2]:

      m≥2,

      其中

      由定義1和定義2得知,兩種定義之間可以相互轉(zhuǎn)化。

      由定義2能夠推出m階B樣條的相關(guān)性質(zhì):

      1)正定性與緊湊性,Sm(x)≥0,具有緊支集[0,m];

      2)分段光滑性,Sm(x)是一個(gè)分段m-1次多項(xiàng)式,Sm(x)∈Cm-2(-,);

      4)成立積分遞推式

      及代數(shù)遞推式

      其中,m=1,2,…。

      B樣條還具有許多優(yōu)良性質(zhì)[2]。

      根據(jù)定義2可以計(jì)算出三次B樣條的表達(dá)式:

      2 基于B樣條的有限體積元法

      考慮兩點(diǎn)邊值問題:

      i=-3,-2,…,n-1。

      為方便處理強(qiáng)加邊值條件,將前三個(gè)函數(shù)換成線性組合[3-5]:

      6φ-3(x),

      φ-2(x)-4φ-3(x),

      同時(shí)將最后三個(gè)基函數(shù)也換成線性組合:

      φn-2(x)-4φn-1(x),

      6φn-1(x)。

      改換前后兩個(gè)空間是等價(jià)的。任一uh∈Uh可以表示成

      其中,j=0,1,2,…,n。

      a(uh,vh)=(f,vh),

      ?vh∈Vh。

      a(u,v)是對(duì)稱正定的雙線性形式,變分形式有唯一解。

      兩點(diǎn)邊值問題的積分守恒形式為:求uh∈Uh,使得

      uh(xi)=ci-3φi-3(xi)+ci-2φi-2(xi)+

      ci-1φi-1(xi)

      需要指出,若用Hermite型三次元求解兩點(diǎn)邊值問題,剛度矩陣的帶寬為7,與三次B樣條有限元是一樣的。但Hermite型三次元在每個(gè)節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)參數(shù),B樣條有限元在每個(gè)節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)參數(shù)(不計(jì)邊界以外的擴(kuò)充點(diǎn)),所以,若用相同的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù),兩種方法的系數(shù)矩陣階數(shù)之比約為2∶1,而二者的收斂階卻相同。從這點(diǎn)來看,B樣條有限元法更有優(yōu)勢(shì)。

      3 數(shù)值算例

      取a=0,b=1,p=0,f(x)=4π2sin(2πx),兩點(diǎn)邊值問題的精確解為u(x)=sin(2πx)。用MATLAB編程得到數(shù)據(jù)見表1。

      表1 三次B樣條有限體積元法的誤差與收斂階

      4 結(jié) 語

      構(gòu)造了基于三次B樣條的有限體積元法,該方法有很好的收斂性。在H1半模和L2模下,三次B樣條有限元法分別具有3階和4階收斂精度,三次B樣條有限元法具有最佳L2收斂階。我們發(fā)現(xiàn)B樣條有限元法與傳統(tǒng)有限元法一樣有較高的收斂階,還具有一些優(yōu)于傳統(tǒng)有限元法的性質(zhì)。

      參考文獻(xiàn):

      [1] 孫家昶.樣條函數(shù)與計(jì)算幾何[M].北京:科學(xué)出版社,1982.

      [2] 陳廣生.B樣條函數(shù)的一個(gè)性質(zhì)[J].廣西科學(xué),2008,15(4):381-382.

      [3] 石鐘慈.樣條有限元[J].計(jì)算數(shù)學(xué),1979(1):50-72.

      [4] 梁旭彪,簡柏敦,倪光正.B樣條有限元[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),1987(6):11-22.

      [5] 李榮華,馮果忱.微分方程數(shù)值解法[M].北京:高等教育出版社,1995.

      [6] Ronghua Li, Zhongying Chen, Wei Wu. Generalized difference methods for differential equations [M]. [S.l.]: Marcel Dekker,Inc.,2000.

      [7] Wang Tongke. High accuracy finite volume element method for two-point boundary value problem of second order ordinary differential equations [J]. Numer Math., Journal of Chinese Univ.,2002,11(2):213-225.

      [8] Z Cai. On the finite volume element method [J]. Numer. Math.,1990,58(1):713-735.

      [9] Ronghua Li. Generalized difference methods for two point boundary value problems [J]. Acta Sci. Natur Univ. Jilin,1982(1):26-40.

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