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顯式和隱式方法

考慮常微分方程

d

y

d

t

=

y

2

,

t

[

0

,

a

]

(

2

)

{\displaystyle {\frac {dy}{dt}}=-y^{2},\ t\in [0,a]\quad \quad (2)}

初始條件是

y

(

0

)

=

1

{\displaystyle y(0)=1}

。考慮格點

t

k

=

a

k

n

{\displaystyle t_{k}=a{\frac {k}{n}}}

,0 ≤ k ≤ n,意思是,時間間隔是

Δ

t

=

a

/

n

,

{\displaystyle \Delta t=a/n,}

,且

y

k

=

y

(

t

k

)

{\displaystyle y_{k}=y(t_{k})}

。用最簡單的顯式和隱式方法將此方程式离散化,分別是「前向歐拉方法」及「後向歐拉方法」,並且比較其差異。

前向歐拉方法

用不同的積分法所得的結果

y

=

y

2

,

t

[

0

,

5

]

,

y

0

=

1

{\displaystyle y'=-y^{2},\;t\in [0,5],\;y_{0}=1}

Δ

t

=

5

/

10

{\displaystyle \Delta t=5/10}

.

前向欧拉方法

(

d

y

d

t

)

k

y

k

+

1

y

k

Δ

t

=

y

k

2

{\displaystyle \left({\frac {dy}{dt}}\right)_{k}\approx {\frac {y_{k+1}-y_{k}}{\Delta t}}=-y_{k}^{2}}

可得

y

k

+

1

=

y

k

Δ

t

y

k

2

(

3

)

{\displaystyle y_{k+1}=y_{k}-\Delta ty_{k}^{2}\quad \quad \quad (3)\,}

對所有

k

=

0

,

1

,

,

n

.

{\displaystyle k=0,1,\dots ,n.}

,這是

y

k

+

1

{\displaystyle y_{k+1}}

的顯式公式。

後向歐拉方法

用後向歐拉方法(英语:backward Euler method)

y

k

+

1

y

k

Δ

t

=

y

k

+

1

2

{\displaystyle {\frac {y_{k+1}-y_{k}}{\Delta t}}=-y_{k+1}^{2}}

可以得到

y

k

+

1

{\displaystyle y_{k+1}}

的隱式方程

y

k

+

1

+

Δ

t

y

k

+

1

2

=

y

k

{\displaystyle y_{k+1}+\Delta ty_{k+1}^{2}=y_{k}}

比較上式和公式(3),公式(3)的

y

k

+

1

{\displaystyle y_{k+1}}

可以直接求得,而此處是方程式中的未知數,需要求解。

這是一元二次方程,有一個正根和一個負根,因為其初值為正,選擇其正根,則下一步的

y

{\displaystyle y}

y

k

+

1

=

1

+

1

+

4

Δ

t

y

k

2

Δ

t

.

(

4

)

{\displaystyle y_{k+1}={\frac {-1+{\sqrt {1+4\Delta ty_{k}}}}{2\Delta t}}.\quad \quad (4)}

大部份的隱式方程中,要求解的方程會比一元二次方程複雜的多,也有可能不存在解析解,因此需要用其他求根算法(例如牛顿法)來求得數值解。

克兰克-尼科尔森方法

用克兰克-尼科尔森方法

y

k

+

1

y

k

Δ

t

=

1

2

y

k

+

1

2

1

2

y

k

2

{\displaystyle {\frac {y_{k+1}-y_{k}}{\Delta t}}=-{\frac {1}{2}}y_{k+1}^{2}-{\frac {1}{2}}y_{k}^{2}}

可以求得

y

k

+

1

{\displaystyle y_{k+1}}

的隱式方程

y

k

+

1

+

1

2

Δ

t

y

k

+

1

2

=

y

k

1

2

Δ

t

y

k

2

{\displaystyle y_{k+1}+{\frac {1}{2}}\Delta ty_{k+1}^{2}=y_{k}-{\frac {1}{2}}\Delta ty_{k}^{2}}

這可以用求根算法(例如牛顿法)來求得

y

k

+

1

{\displaystyle y_{k+1}}

的數值解。

克兰克-尼科尔森方法可以視為是通用的IMEX(Implicit-Explicit,隱式-顯式)架構。

前向-後向歐拉方法

用前向歐拉方法以及前向-後向歐拉方法,在

a

=

5

{\displaystyle a=5}

n

=

30

{\displaystyle n=30}

下的結果

為了應用IMEX架構,考慮另一個微分方程:

d

y

d

t

=

y

y

2

,

t

[

0

,

a

]

(

5

)

{\displaystyle {\frac {dy}{dt}}=y-y^{2},\ t\in [0,a]\quad \quad (5)}

可以得到

(

d

y

d

t

)

k

y

k

+

1

y

k

2

,

t

[

0

,

a

]

{\displaystyle \left({\frac {dy}{dt}}\right)_{k}\approx y_{k+1}-y_{k}^{2},\ t\in [0,a]}

因此

y

k

+

1

=

y

k

(

1

y

k

Δ

t

)

1

Δ

t

(

6

)

{\displaystyle y_{k+1}={\frac {y_{k}(1-y_{k}\Delta t)}{1-\Delta t}}\quad \quad (6)}

針對

k

=

0

,

1

,

,

n

{\displaystyle k=0,1,\dots ,n}

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