微分求积法(Differential Quadrature)学习笔记
1.DQ方法的基本原理1
微分求积法(DQ)是Bellman和他的同事在70年代初提出的。DQ方法是求导数近似的一种数值离散化方法,起源于传统积分求积的思想。
1.1 积分求积
一般地,积分可以近似为:
其中为权值系数,为函数在离散点处的值。方程称为积分求积,它使用整个积分域中的所有函数值来近似一个有限积分上的积分。
1.2 微分求积
函数对 在网格点处的一阶导数可以近似为整个域中所有函数值的线性和:
其中 表示加权系数,表示整个域中的网格点数。方程称为微分求积(DQ).
2.基于多项式的微分求积法(PDQ)
在DQ近似中,如何确定加权系数很多工作都是基于多项式逼近的,因此相关的方法可以被称为基于多项式的微分求积法(PDQ)。
2.1 一阶导数加权系数的计算
Bellman 等人假定函数在区间上足够光滑,因此它在任何网格点上的一阶导数 可以用下面的公式来近似:
方程中加权系数的确定是DQ近似的关键步骤。下面是一些方法
2.1.1 Bellman方法2
显然有个测试函数,那么需要N个网格点,可以得到关于的个线性代数方程如下:
由分别代入得到。
方程组2.3有唯一解,因为它的矩阵是范德蒙形式:
但是,当很大的时候,矩阵是病态的,求解它的逆是困难的。在这种方法的实际应用中,通常选择。
第二个方法. 与第一种方法类似,但是使用不同的测试函数,为:
其中为次Legendre多项式,为其一阶导数。这里需选择为shifted Legendre多项式的根.在个网格点上应用得到关于的代数公式
由可以得到,,那么时:
, 时,根据L‘Hospital规则以及满足的条件
得到:
这种方法不像第一种方法那样灵活,因为这种方法中网格点的坐标不能任意选择,所以在实际应用中通常采用第一种方法。
2.1.2 Quan and Chang’s 方法3
Quan and Chang用下面的拉格朗日插值多项式作为检验函数:
其中:
随后,通过在个网格点上应用方程,得到了以下计算加权系数的代数公式:
显然可以得到
当时
当 时
另一种方法(也就是下面的):令,这里.得到:
又有
2.1.3 Shu’s Approach4
偏微分方程的解可以用高次多项式精确逼近。现在。我们假设逼近多项式的次数是,这个近似多项式通过向量加法和标量乘法运算构成了一个维线性向量空间,可以用不同的形式表达。基多项式的四个典型集如下:
其中是N次的Legendre多项式,在方程中定义。在四组基多项式中。方程 和 来自拉格朗日插值多项式,方程 来自牛顿插值多项式。方程 和 的区别在于网格点的分布。方程是方程的一个特例,因为它只在Legendre配点处有效。
此外,根据线性向量空间的性质,如果一组基多项式满足一个线性算子,那么另一组基多项式也满足。因此 满足以下方程,这个方程是由基多项式在时得到的:
或 2.2 二阶导数加权系数的计算
对于二阶导数的离散化,引入了一个类似的近似形式:
2.2.1 Quan and Chang’s 方法
易得时, 2.2.2 Shu‘s 方法
又有 由,的定义可得:
同样,也可以根据基函数为时的定义得到:
或 2.3 Shu’s方法关于高阶导数的递推公式
其中。同样,我们可以得到:
所以得到:
通过,得到:
所以:
从而有:
同样,时的权值系数如下:
或 注意:
3.广义积分求积法(GIQ)
广义积分求积(GIQ)是在与PDQ相同的概念下发展起来的。如果一个函数在整个区域内是光滑的,那么它可以用一个涉及整个区域内所有函数值的高次多项式来逼近。然后,通过对近似多项式进行积分,可以计算出函数在整个区域的一部分上的积分。因此,这种近似包含了整个区域中的所有函数值,而且精度很高,即使积分区域只包含两个点。显然,该方法的关键步骤是确定权重系数。下面将说明,GIQ的加权系数可以很容易地从PDQ中的一阶导数的加权系数中得到。
3.1 1维广义积分求积
假设在整个区域上是连续的,且可以分解为个区间,其网格点为.由于在整个区域上是连续的,所以它可以用一个()次多项式来逼近.特别地,当N个网格点的函数值已知时,可以用与所有网格点的函数值相关的拉格朗日插值多项式来逼近。因此,该逼近多项式在上的积分可能涉及整环以外的函数值。作为一般情况,假设整个域的一部分上的的积分由整个域中的所有函数值与形式的线性组合来近似:
与PDQ中的分析类似,作为的近似的()次多项式构成了N维线性向量空间。因此,如果所有的基多项式都满足等式,那么空间中的任何多项式都满足。考虑拉格朗日插值多项式作为基函数,那么
直接计算的表达是困难的,所以采用如下方法:
我们可以清楚地看到,如果是()次多项式,则应该是次多项式。假设由以下形式的()次多项式逼近:
其中为常数,对从常数c到变量作积分有:
其中
显然,取决于个常数。证明了构成维线性多项式向量空间。它的一组基多项式可选为:
相似于PDQ,可以得到:
将代入中得到:
同样 从公式中可以看出,不能选择c作为网格点的坐标,从公式10.6可以看出,当c=x时,积分区域为零。因此,不必近似的积分。另一方面,公式可以写成向量形式:
其中
将和插入中,令
可以得到:
令,则有,进一步:
那么就得到
很明显GIQ中的权重系数是由PDQ中的一阶导数离散化得到的。
参考文献
[1] Shu, Chang. Differential Quadrature and Its Application in Engineering[J]
[2] Bellman R, Kashef BG, Casti J. Differential Quadrature and Its Application in Engineering[J]
[3] Quan JR, Chang CT. New insights in solving distributed system equations by the quadrature method—I. Analysis[J]
[4] Shu C, Chew YT, Richards BE. Generalized differential and integral quadrature and their application to solve boundary layer equations[J]