Квазирешетки в прикладных задачах обработки цифровой информации

Дипломная работа - Математика и статистика

Другие дипломы по предмету Математика и статистика

-1 - вес для явной части

Причем . При ?=1 имеем полностью неявную схему, при ?=0 - полностью явную схему, а при ?=1/2 - схему Кранка-Николсона.

В соответствии с гармоническим анализом для схемы (2.23) получаем неравенство

 

,

(2.24)

 

причем правое неравенство выполнено всегда.

Левое неравенство имеет место для любых значений ?, если . Если же вес ? лежит в пределах , то между ? и ? из левого неравенства устанавливается связь

 

(2.25)

 

являющаяся условием устойчивости неявно-явной схемы с весами (23), когда вес находится в пределах .

Таким образом, неявно-явная схема с весами абсолютно устойчива при и условно устойчива с условием (2.25) при .

Рассмотрим порядок аппроксимации неявно-явной схемы с весами, для чего разложим в ряд Тейлора в окрестности узла (xj,tk) на точном решении значения сеточных функций по переменной t, , по переменной х и полученные разложения подставим в (2.23):

 

 

В этом выражении дифференциальный оператор от квадратной скобки в соответствии с дифференциальным уравнением равен дифференциальному оператору , в соответствии с чем вышеприведенное равенство приобретает вид

 

 

После упрощения получаем

 

,

 

откуда видно, что для схемы Кранка-Николсона (? = 1/2) порядок аппроксимации схемы (2.23) составляет , т.е. на один порядок по времени выше, чем для обычных явных или неявных схем. Таким образом, схема Кранка-Николсона при ? = 1/2 абсолютно устойчива и имеет второй порядок аппроксимации по времени и пространственной переменной х.

Используем в уравнение (2.23) подстановку r=a2k/h2. Но в то же время его нужно решить для трех "еще не вычисленных" значений , , и . Это возможно, если все значения перенести в левую часть уравнения. Затем упорядочим члены уравнения (2.23) и в результате получим неявную разностную формулу

 

(2.26)

 

для i=2,3,…,n-1. Члены в правой части формулы (2.26) известны. Таким образом, формула (2.26) имеет вид линейной трехдиагональной системы АХ=В. Шесть точек, используемых в формуле Кранка-Николсона (2.26), вместе с промежуточной точкой решетки, на которой основаны численные приближения, показаны на рисунке 5.

 

Рисунок 2.6 - Шаблон (схема) метода Кранка-Николсона

 

Иногда в формуле (2.26) используется значение r=1. В этом случае приращение по оси t равно , формула (2.26) упрощается и принимает вид

 

, (2.27)

для i=2,3,…,n-1. Граничные условия используются в первом и последнем уравнениях (т. е. в и соответственно).

Уравнения (2.27) особенно привлекательны при записи в форме трехдиагональной матрицы АХ = В.

Если метод Кранка-Николсона реализуется на компьютере, то линейную систему АХ = В можно решить либо прямым методом, либо итерационным.

 

 

.3 Постановка задачи

 

Используем метод Кранка-Николсона, чтобы решить уравнение

 

,

 

где x?(0;1),

t?(0;0.1),

с начальным условием

 

,

 

где t=0,

x?(0;1),

и граничными условиями

u(0,t) = g1(t) ? 0,

u(1,t) = g2(t) ? 0.

Решение будем искать в ППП MatLab 2007. Создадим четыре выполняемых m-фала: crnich.m - файл-функция с реализацией метода Кранка-Николсона; trisys.m - файл-функция метода прогонки; f.m - файл-функция задающая начальное условие задачи; fе.m - файл-функция задающая функцию определяющую точное решение задачи(найдена аналитическим путем). Листинги программ представлены в приложении А.

Для простоты возьмем шаг ?х = h = 0,1 и ?t = к = 0,01. Таким образом, соотношение r =1. Пусть решетка имеет n=11 столбцов в ширину и m=11 рядов в высоту.

Решения для данных параметров отразим в таблице 1. Трехмерное изображение данных из таблицы покажем на рисунке 5.

 

Таблица 2.1 - Значения u(хi, ti), полученные методом Кранка- Николсона

xi00.10.20.30.40.50.60.70.80.91ti001.11801.53881.11800.363300.36331.11801.53881.118000.0100.61690.92880.86210.61770.49050.61770.86210.92880.616900.0200.39420.64800.71860.68000.64880.68000.71860.64800.394200.0300.28870.50670.62530.66650.67330.66650.62530.50670.288700.0400.23310.42580.55600.62510.64580.62510.55600.42580.233100.0500.19950.37200.49960.57540.60020.57540.49960.37200.199500.0600.17590.33150.45110.52530.55040.52530.45110.33150.175900.0700.15740.29810.40820.47780.50150.47780.40820.29810.157400.0800.14190.26930.36980.43380.45580.43380.36980.26970.141900.0900.1830.24370.33510.39360.41370.39360.33510.24370.128300.100.11610.22080.30380.35700.37530.35700.30380.22080.11610

Величины, полученные методом Кранка-Николсона, достаточно близки к аналитическому решению

u(x,t) = sin(?x)e-?2t+ sin(3?x)e-9?2t,

 

истинные значения для последнего представлены в таблице 2.2

Максимальная погрешность для данных параметров равна 0,005

 

Таблица 2.2 - точные значения u(хi, ti), при t=0.1

xi00.10.20.30.40.50.60.70.80.91t110.100.11530.21920.30160.35440.37260.35440.30160.21920.11530

Рисунок 2.7 - Решение u=u(хi, ti), для метода Кранка-Николсона

 

.4 Квазирешетки с применением полиномов Бернштейна

 

В вычислительной математике многочлены Бернштейна - это алгебраические многочлены, представляющие собой линейную комбинацию базисных многочленов Бернштейна.

Базисные многочлены Бернштейна степени n находятся по формуле

 

 

и обладают следующими свойствами:

при и всех k=0, 1,…,n

 

 

Рисунок 2.8 - Заданная область

 

Опишем, заданную область уравнениями границы:

 

.

 

И нормали к данным уравнениям выглядят так:

 

.

 

Тогда уравнения границ будут выглядеть следующим образом:

 

 

Запишем коэффициенты обобщения полинома Берштейна с учетом того, что

 

:

 

При n=1 узлы решетки будут находиться в вершинах пятиугольника. При n=2, к узлам в вершинах прибавляется еще узлы на сере?/p>