Numerická matematika 1. t = D u. x 2 (1) tato rovnice určuje chování funkce u(t, x), která závisí na dvou proměnných. První

Podobné dokumenty
Literatura: Kapitola 5 ze skript Karel Rektorys: Matematika 43, ČVUT, Praha, Text přednášky na webové stránce přednášejícího.

u (x i ) U i 1 2U i +U i+1 h 2. Na hranicích oblasti jsou uzlové hodnoty dány okrajovými podmínkami bud přímo

Numerická matematika A

Matematické modelování ve stavební fyzice

Pružnost a plasticita II

Tepelná kapacita = T. Ē = 1 2 hν + hν. 1 = 1 e x. ln dx. Einsteinův výpočet (1907): Soustava N nezávislých oscilátorů se stejnou vlastní frekvencí má

SIMULACE. Numerické řešení obyčejných diferenciálních rovnic. Měřicí a řídicí technika magisterské studium FTOP - přednášky ZS 2009/10

MODELOVÁNÍ A SIMULACE

KOMPLEXNÍ ČÍSLA (druhá část)

KOMPLEXNÍ ČÍSLA. Algebraický tvar komplexního čísla

Maticová exponenciála a jiné maticové funkce

( x ) 2 ( ) Úlohy na hledání extrémů. Předpoklady: 10211

Korelační energie. Celkovou elektronovou energii molekuly lze experimentálně určit ze vztahu. E vib. = E at. = 39,856, E d

ANALÝZA VZTAHU DVOU SPOJITÝCH VELIČIN

2.5. MATICOVÉ ŘEŠENÍ SOUSTAV LINEÁRNÍCH ROVNIC

úloh pro ODR jednokrokové metody

Energie elektrického pole

Polynomy a interpolace text neobsahuje přesné matematické definice, pouze jejich vysvětlení

4.1 Řešení základních typů diferenciálních rovnic 1.řádu

A u. jsou po řadě počáteční a koncové body úsečky; t je parametr:

Statika soustavy těles v rovině

4/3.3. bodem v rovině (tvoří rovinný svazek sil), jsou vždy. rovnice z-ová. Pro rovnováhu takové soustavy

1. Několik základních pojmů ze středoškolské matematiky. Na začátku si připomeneme následující pojmy:

10. Soustava lineárních rovnic - substituční metoda

Teorie elektrických ochran

Numerická matematika 1

14. přednáška. Přímka

Sylabus 18. Stabilita svahu

Diferenciální rovnice 1

3 VYBRANÉ MODELY NÁHODNÝCH VELIČIN. 3.1 Náhodná veličina

3 Základní modely reaktorů

Osově namáhaný prut základní veličiny

KOMPLEXNÍ ČÍSLA. Algebraický tvar komplexního čísla

Pracovní list č. 6: Stabilita svahu. Stabilita svahu. Návrh či posouzení svahu zemního tělesa. FS s

Podobnostní transformace

VZOROVÝ TEST PRO 3. ROČNÍK (3. A, 5. C)

Funkce jedné reálné proměnné. lineární kvadratická racionální exponenciální logaritmická s absolutní hodnotou

7. ZÁKLADNÍ TYPY DYNAMICKÝCH SYSTÉMŮ

Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích. Pedagogická fakulta Katedra fyziky. Bakalářská práce

ANALYTICKÁ GEOMETRIE LINEÁRNÍCH ÚTVARŮ V ROVINĚ

Kombinatorická minimalizace

Soustavy lineárních diferenciálních rovnic I. řádu s konstantními koeficienty

Spojité regulátory - 1 -

Finanční matematika. Téma: Důchody. Současná hodnota anuity

V následujícím obvodě určete metodou postupného zjednodušování hodnoty zadaných proudů, napětí a výkonů. Zadáno: U Z = 30 V R 6 = 30 Ω R 3 = 40 Ω R 3

1 Modelování systémů 2. řádu

Pružnost a plasticita II

MASARYKOVA UNIVERZITA

Diferenciální počet 1 1. f(x) = ln arcsin 1 + x 1 x. 1 x 1 a x 1 0. f(x) = (cos x) cosh x + 3x. x 0 je derivace funkce f(x) v bodě x0.

Otto DVOŘÁK 1 NEJISTOTA STANOVENÍ TEPLOTY VZNÍCENÍ HOŘLAVÝCH PLYNŮ A PAR PARABOLICKOU METODOU PODLE ČSN EN 14522

Monte Carlo metody Josef Pelikán CGG MFF UK Praha.

CHYBY MĚŘENÍ. uvádíme ve tvaru x = x ± δ.

1 Polynomiální interpolace

POROVNÁNÍ MEZI SKUPINAMI

FYZIKA I. Pohybová rovnice. Prof. RNDr. Vilém Mádr, CSc. Prof. Ing. Libor Hlaváč, Ph.D. Doc. Ing. Irena Hlaváčová, Ph.D. Mgr. Art.

2. Schurova věta. Petr Tichý. 3. října 2012

Příklad 1. Řešení 1a. Řešení 1b ŘEŠENÉ PŘÍKLADY Z M1B ČÁST 5

M - Kvadratické rovnice a kvadratické nerovnice

Určeno pro posluchače všech bakalářských studijních programů FS

vyjádřete ve tvaru lineární kombinace čtverců (lineární kombinace druhých mocnin). Rozhodněte o definitnosti kvadratické formy κ(x).

Kinetika spalovacích reakcí

Necht tedy máme přirozená čísla n, k pod pojmem systém lineárních rovnic rozumíme rovnice ve tvaru

[ ] Goniometrický tvar komplexních čísel I. Předpoklady: 4207, 4209, 6201

Příprava ke státním maturitám 2011, vyšší úroveň obtížnosti materiál stažen z

1. Spektrální rozklad samoadjungovaných operátorů 1.1. Motivace Vlastní čísla a vlastní vektory symetrické matice 1 1 A = 1 2.

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2018/2019

Stavový model a Kalmanův filtr

1 Elektrotechnika 1. 9:00 hod. G 0, 25

(Cramerovo pravidlo, determinanty, inverzní matice)

Mechatronické systémy s elektronicky komutovanými motory

LINEÁRNÍ ROVNICE S ABSOLUTNÍ HODNOTOU

VYBRANÉ PARTIE Z NUMERICKÉ MATEMATIKY

Náhodným (stochastickým) procesem nazveme zobrazení, které každé hodnotě náhodnou veličinu X ( t)

Sdílení tepla. Úvod - Přehled. Sdílení tepla mezi termodynamickou soustavou a okolím je podmíněno rozdílností teplot soustavy T.

POSLOUPNOSTI A ŘADY INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

Řešení 1b Máme najít body, v nichž má funkce (, ) vázané extrémy, případně vázané lokální extrémy s podmínkou (, )=0, je-li: (, )= +,

Úloha 1 Přenos tepla

12. Lineární programování

permutace, popisující nějaké symetrie, je i π permutace, popisující nějakou symetrii.

Bézierovy křivky Bohumír Bastl KMA/GPM Geometrické a počítačové modelování Bézierovy křivky GPM 1 / 26

Řešení 1D vedení tepla metodou sítí a metodou

= cos sin = sin + cos = 1, = 6 = 9. 6 sin 9. = 1 cos 9. = 1 sin cos 9 = 1 0, ( 0, ) = 1 ( 0, ) + 6 0,

KOMPLEXNÍ ČÍSLA INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

4 Numerické derivování a integrace

Matematika I, část I. Rovnici (1) nazýváme vektorovou rovnicí roviny ABC. Rovina ABC prochází bodem A a říkáme, že má zaměření u, v. X=A+r.u+s.

2. ELEKTRICKÉ OBVODY STEJNOSMĚRNÉHO PROUDU

LOGICKÉ OBVODY J I Ř Í K A L O U S E K

Q(y) dy = P(x) dx + C.

Výpočet nového stavu je závislý na bezprostředně předcházejícím stavu (může jich být i více, zde se však omezíme na jeden).

I. 7. Diferenciál funkce a Taylorova věta

7.2.1 Vektory. Předpoklady: 7104

Normální (Gaussovo) rozdělení

POSLOUPNOSTI A ŘADY INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Nejprve si uděláme malé opakování z kurzu Množiny obecně.

10. cvičení z PST. 5. prosince T = (n 1) S2 X. (n 1) s2 x σ 2 q χ 2 (n 1) (1 α 2 ). q χ 2 (n 1) 2. 2 x. (n 1) s. x = 1 6. x i = 457.

Analytická geometrie lineárních útvarů

11 Tachogram jízdy kolejových vozidel

9 Kolmost vektorových podprostorů

1 Extrémy funkcí - slovní úlohy

Transkript:

Numercká matematka 1 Parabolcké rovnce Budeme se zabývat rovncí t = D u x (1) tato rovnce určuje chování funkce u(t, x), která závsí na dvou proměnných. První proměnná t mívá význam času, druhá x bývá prostorová souřadnce. Předchozí rovnce lze snadno zobecnt pro více prostorových proměnných např. ( t = D u x + u ) y Příkladem parabolcké rovnce je rovnce vedení tepla ( k T ) = ρc T x x t tato rovnce popsuje časový vývoj teploty T (t, x) uvntř nekonečné stěny, k je tepelná vodvost materálu, c je tepelná vodvost a ρ je hustota. ným příkladem je rovnce dfuze pro hustotu částc n(t, x) () (3) n x 1 n k t = (4) kde k je konstanta popsující rychlost dfuze. Parabolcká rovnce nám vlastně říká, že tam kde je druhá dervace záporná, hledaná funkce v čase klesá a naopak. Dochází tak k vyhlazování průběhu funkce - teploty se vyrovnávají, hustoty částc v různých bodech se srovnávají. Parabolcké rovnce většnou řešíme na omezeném ntervalu. Budeme předpokládat, že se jedná o nterval x,. Např. př řešení rovnce vedení tepla, bude x = reprezentovat vntřní povrch stěny a x = vnější povrch stěny. Abychom mohl rovnc řešt je třeba znát hodnoty hledané funkce v počátečním čase t = tzv. počáteční podmínku. Například je třeba zadat počáteční hodnoty ve stěně. Počáteční podmínka má obecně tvar u(, x) = p(x) (5) kde p(x) je známá funkce. Zadání počáteční podmínky však pro výpočet nedostačuje. e třeba také vědět co se odehrává na okrajích studované oblast. e tedy třeba zadat chování funkce pro x = a x =, tomuto říkáme okrajové podmínky. Např. je třeba zadat teplotu na vntřním a vnějším povrchu stěny. Okrajová podmínka může mít dva základní tvary. První možností je přímo zadání hodnot na hranc oblast tj. u(t, ) = g (t) nebo u(t, ) = g 1 (t) (6) takovéto podmínce se říká Drchletova podmínka. Druhou možností je zadání prostorové dervace funkce tj. x (t, ) = g (t) nebo x (t, ) = g 3(t) (7) takovéto podmínce se říká Neumannova podmínka. Například u rovnce vedení tepla této podmínce odpovídá zadání tepelného toku, např. nulová dervace odpovídá dokonale zolovanému povrchu stěny. Naším cílem tedy bude nalezení funkce u(t, x) pro x, a t, ), která splňuje rovnc (1), počáteční podmínku (5) a okrajové podmínky (6) č (7).

Numercká matematka Příklad Řešme dferencální rovnc na ntervalu, s okrajovým podmínkam a s počáteční podmínkou t = D u x (8) u(t, ) = u(t, ) = 1 (9) u(, x) = x + sn ( πx ) Snadno se přesvědčíme, že počáteční a okrajové podmínky jsou v souladu tj. podle obojího je u(, ) = a u(, ) = 1. Dosazením se lze přesvědčt, že řešením dané rovnce s těmto podmínkam je ( πx u(t, x) = x + sn )e Dπ t (11) Pro T se toto řešení plíží k ustálenému stavu Metoda sítí pro parabolcké rovnce (1) u(, x) = x (1) Ukážeme s základní metodu na numercké řešení PDR, tzv. metodu sítí přesněj zvanou metodu konečných dferencí. V této metodě se místo spojté funkce u(t, x) hledají pouze odhady řešení v konečném počtu bodů. Tyto body tvoří v oblast řešení sít, odtud je název metody. Exstuje celá řada druhů sítě, my se omezíme na nejjednodušší případ pravoúhlé rovnoměrné sítě. Body této sítě mají souřadnce [t n, x ]. Časové okamžky t n jsou rovnoměrně rozmístěny s časovým krokem a prostorové body jsou rovnoměrně rozmístěny s krokem h tj. x j = jh j =, 1,..., M h = /M (13) t n = n n =, 1,..., N (14) Obrázek 1: Konstrukce rovnoměrné ortogonální sítě. Místo spojté funkce u(t, x) tedy budeme hledat odhady tohoto řešení u n, tak aby v deálním případě platlo u n = u(t n, x ). Tento vztah nebude platt přesně, protože

Numercká matematka 3 numercká metoda bude opět zatížena chybou. Místo dferencálních rovnc pro u(t, x) je třeba získat tzv. dferenční rovnc pro u n. Tuto dferenční rovnc získáme tak, že parcální dervace v dferencální rovnc nahradíme některým přblžným vzorcem. Explctní metoda V nejjednodušší tzv. explctní metodě použjeme následující přblžné vzorce Dosazením do (1) dostaneme dferenční rovnc pro u n t = un+1 u n (15) u x = un +1 un + un 1 h (16) u n Z této rovnce můžeme vyjádřt j = D un +1 un + un 1 h (17) = u n j + D h (un j+1 u n j + u n j 1) (18) Pokud známe řešení u n j v časový okamžk tn, můžeme z této rovnce vypočítat řešení j v následující časový okamžk t n+1. Výpočet začneme v čase t = t =, kde máme zadáno řešení počáteční podmínkou. Poté postupujeme časem a ze vztahu (18) vypočítáme řešení v čase t 1, t,.... Vztah (18) však nelze použít v krajních hodnotách, protože například k výpočtu potřebujeme znát hodnotu u n 1, která ale leží mmo studovanou oblast. Pro výpočet krajních hodnot a je tedy třeba použít okrajových podmínek. Obrázek : Schemata pro řešení parabolcké rovnce. Explctní metoda je celkem jednoduchá, má ale jedno podstatné omezení. Pokud je časový krok přílš velký metoda není tzv. stablní. To se projeví po několka krocích metody, kdy se objeví na průběhu funkce zákmty, které se postupně zeslují, až řešení dverguje. Takové chování je samozřejmě nežádoucí. Aby toto chování nenastalo tj. aby metoda byla stablní, je třeba, aby byla splněna následující podmínka D h 1 (19) Takováto podmínka, která zajšt uje stabltu metody, se nazývá podmínka stablta. Metody se z tohoto hledska dělí na tř druhy - metody stablní, nestablní

Numercká matematka 4 a podmíněně stablní. Metoda se nazývá podmíněně stablní pokud potřebuje k zajštění stablty nějakou podmínku, jako výše uvedená metoda. Podmínka (19) omezuje velkost časového kroku. Tato podmínka je bohužel dost přísná. Pokud je například tato podmínka přesně splněna a my chceme zmenšt prostorový krok na polovnu je třeba zmenšt časový krok čtyřkrát, v důsledku toho vzroste časová náročnost osmkrát. Řešení vz program pdr-parabol-expl.f9. Implctní metoda Implctní metoda vylepšuje explctní metodu tím, že odstraňuje podmínku stablty. e tedy stablní, nkol jen podmíněně stablní. Tato metoda používá jnou aproxmac druhé prostorové dervace než je (16) a to u x = un+1 +1 un+1 + 1 h () Použjeme tedy stejný dervační vzorec, ale vztažený k jnému časovému okamžku. Dostaneme tak u n = D un+1 +1 un+1 + 1 h (1) Z této rovnce nemůžeme přímo vypočítat řešení v novém čase t n+1 protože k výpočtu je třeba jž znát řešení v sousedních bodech +1 a un+1 1. Rovnce (1) představuje tedy vztah mez třem hledaným hodnotam v novém čase t n+1 ve třech sousedních bodech. Označme s α D h, z předchozího vztahu dostaneme j u n j = α( j+1 un+1 j + j 1 ) () α j 1 + (1 + α)un+1 j α j+1 = un j (3) Pro různá máme různé rovnce, dohromady tvoří tyto rovnce soustavu lneárních rovnc pro neznáme. V matcovém zápsu 1 + α α u n α 1 + α α 1 α 1 + α u n 1 u.... n =.. 1 + α α 1 u n α 1 + α 1 u nq (4) Řešením této soustavy dostaneme řešení v novém časovém okamžku t n+1. Crankovo-Ncholsonovo schéma Předchozí mplctní metoda je vždy stablní. Z hledska stablty lze v této metodě volt lbovolně velký krok. Pokud však zvolíme větší krok dskretzační chyba se zvětší. Chyba mplctní explctní metody je O(, h ). Chyba je tedy úměrná pouze první mocnně časového kroku, to je způsobeno tím, že obě metody jsou nesymetrcké v čase. Tuto asymetr odstraňuje Crankova-Ncholsonova metoda. Tato metoda místo prostorové dervace v čase t n (jako explctní metoda) nebo v čase t n+1 (jako mplctní metoda) používá průměr z obou možností tj. u n = D 1 [ u n+1 +1 un+1 + 1 h + un +1 un + un 1 h ] (5)

Numercká matematka 5 nebol j u n j = α [ (u n+1 j+1 un+1 j + j 1 ) + (un j+1 u n j + u n j 1) ] (6) Z této rovnce opět nelze přímo vypočítat řešení v novém čase, rovnc tedy nejprve upravíme α un+1 j 1 + (1 + α)un+1 j α un+1 j+1 = un j + α (un j+1 u n j + u n j 1) (7) Máme tedy opět soustavu lneárních rovnc pro řešení v čase t n+1. V matcovém zápsu je tato soustava 1 + α α α 1 + α α α 1 + α... 1.. = u n + α (un 1 u n ) u n 1 + α (un u n 1 + u n ) u n + α (un 3 u n + u n 1 ).. (8) Crankova-Ncholsonova metoda je nepodmíněně stablní stejně jako mplctní metoda. ejí chyba je ale menší je řádu O(, h ). Tato metoda je téměř stejně časově náročná jako mplctní metoda, je ale přesnější, a proto bychom jí měl dávat přednost. Řešení vz program pdr-parabol-mpl.f9.