Teoria : Alkuarvoprobleeman numeerinen ratkaiseminen

Perusidea toisen tai korkeamman kertaluvun yhtälölle

Toista tai korkeampaa kertalukua olevan differentiaaliyhtälöryhmän numeerinen ratkaiseminen perustuu vastaavan normaaliryhmän tarkasteluun. Tällöin on oleellista, että kyseessä on normaalimuotoinen ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälöryhmä alkuehtoineen, ei se, että kyseessä on korkeamman kertaluvun yhtälöstä syntynyt normaaliryhmä.

Olkoon tarkastelun kohteena siis normaalimuotoinen ryhmä

   '
  y1 = f1(x,y1,...,yn),
{ y'2 = f2(x,y1,...,yn),
    .
    ..
  y' = f (x,y ,...,y  )
   n    n     1      n

alkuehtona y1(x0) = y(0)
1, y2(x0) = y(0)
2, . . . , yn(x0) = y(0n).

Vektorimuodossa tämä on

Y ' = F (x, Y ),   Y (x0) = Y (0),

missä

Y = (   )
  y1
  y2
   ..
   .
  yn ,   Y (0) = (  (0))
  y1(0)
  y2
    ..
   (.0)
  yn ,   F (x, Y ) = (                )
  f1(x,y1,...,yn)
  f2(x,y1,...,yn)
         ..
         .
  fn(x,y1,...,yn) .

Funktioille yj voidaan muodostaa Taylorin kehitelmät samalla tavoin kuin ensimmäisen kertaluvun yhtälöä tarkasteltaessa: derivaattojen laskemiseksi ryhmän jokaista yhtälöä on derivoitava muuttujan x suhteen. Approksimoitaessa lausekkeita saadaan jokaiselle funktiolle yj erikseen muotoa

y(k+1)
j = y(k)
j + gj(xk, Y (0), Y (1), . . . , Y (k), h)

oleva kaava funktionarvon yj(xk+1) approksimaation y(k+1)
j laskemiseen. (Huomaa: Suluissa oleva yläindeksi (k) viittaa pisteessä xk laskettuun approksimaatioon. Kyseessä ei ole derivaatan kertaluku.)

Kaavat voidaan yhdistää vektorimuotoon:

Y (k+1) = Y (k) + G(xk, Y (0), Y (1), . . . , Y (k), h).

Vektorimuotoinen yhtälö Y ' = F (x, Y ) voidaan myös integroida puolittain integroimalla jokainen komponenttiyhtälö erikseen. Täsmälleen samalla tavalla kuin yhden yhtälön tapauksessa tämä johtaa laskentakaavaan

Y (k+1) = Y (k) + I(xk, Y (0), Y (1), . . . , Y (k), h).

Ainoana erona on, että funktio I on vektoriarvoinen funktio.


Teoria: numeerinen näkökulma
Teoria: perusidea ensimmäisen kertaluvun yhtälölle
Teoria: differentiaaliyhtälöryhmä
Teoria: korkeamman kertaluvun yhtälöä vastaava normaaliryhmä
Esimerkki: Airyn differentiaaliyhtälön numeerinen ratkaiseminen

SKK 15.5.2001