Inny przykład: W jednorodnym polu elektrycznym znajduje się nieskończenie długa rura izolacyjna o przenikalności. Rura jest ustawiona w ten sposób, że.

Prezentacja na temat: "Inny przykład: W jednorodnym polu elektrycznym znajduje się nieskończenie długa rura izolacyjna o przenikalności. Rura jest ustawiona w ten sposób, że."— Zapis prezentacji:

1

2 Inny przykład: W jednorodnym polu elektrycznym znajduje się nieskończenie długa rura izolacyjna o przenikalności. Rura jest ustawiona w ten sposób, że pole elektryczne w nieskończoności jest prostopadłedo osi rury. Znaleźć rozkład pola w przestrzeni.

3 x y R1R1 R2R2 1 2 3 E (i=1,2,3) Warunki brzegowe:

4 Ostatni z warunków pokazuje, że i (i=1,2,3) powinno być funkcją nieparzystą czyli

5 gdzie m - liczba całkowita ze względu na warunek: Biorąc pod uwagę przewidywany kształt rozwiązania i podstawiając do równania Laplacea mamy: Otrzymujemy równanie Eulera, którego rozwiązania szukamy w postaci:

6 Podstawiając do równania różniczkowego: otrzymujemy równanie charakterystyczne wyznaczające : Po podzieleniu przez i redukcji znajdujemy: czyli: i rozwiązanie dla i-go obszaru jest:

7 Na podstawie warunku w nieskończoności: dla 3 mamy wniosek: m=1 a ze względu na ciągłość potencjału:

8 również w pozostałych obszarach m=1 i mamy Z warunku w nieskończoności wynika również, że

9 Z warunku ciągłości potencjału: i składowej normalnej indukcji elektrycznej: między obszarami 2 i 3 mamy: Na granicy między obszarami 1 i 2 z warunku ciągłości potencjału:

10 i ciągłości składowej normalnej indukcji elektrycznej mamy: i wreszcie ze względu na warunek: mamy: czyli musi zachodzić:

11 czyli ostatecznie mamy do rozwiązania następujący układ równań: a więc mamy układ 4 równań i 4 niewiadome. Po rozwiązaniu powyższego układu znajdujemy stałe A 1, A 2, B 2 i B 3.

12 Następny przykład: Dana jest przewodząca płytka prostokątna o wymiarach 2ax2b i stałej grubości h. Przewodność elektryczna płytki wynosi Na jednym z boków z o długości 2a znajduje się elektroda, której potencjał jest pokazany na rysunku. Druga elektroda znajdująca się na przeciwległym boku jest uziemiona. Wyznaczyć rozkład gęstości prądu w płytce i moc traconą w niej. 2b 2a h -a a l U(l) E

13 1. FIZYKA Jak sobie wyobrażamy rozpływ gęstości prądu w płytce? Jakie stawiamy założenia upraszczające? Jakie są warunki zadania? Na podstawie tych rozważań budujemy model matematyczny W naszym przypadku mamy następujące wnioski: 1.Można przyjąć dwuwymiarowy model matematyczny 2D 2.Układ współrzędnych prostokątnych (x,y)

14 Jak umieścić układ współrzędnych? a l U(l) UmUm -a

15 x y a 0 2b Model matematyczny Wektor gęstości prądu j ma dwie składowe j x, j y będące funkcjami x i y. Spełnia równanie: jest związany z natężeniem pola elektrycznego E: a pole elektryczne spełnia równania:

16 ponieważ materiał jest jednorodny i izotropowy, więc równania: i są równoważne. Wystarczy określić rozkład pola elektrycznego a z prawa Ohma wyznaczymy rozkład gęstości prądu. Zadanie sprowadza się więc do rozwiązania układu równań: Ze względu na pierwsze przyjmujemy: i podstawiając do drugiego równania mamy:

17 lub x -aa 0 2b a l U(l) UmUm Symetrie i warunki brzegowe: j x (x=0,y)=? -a

18 x a 0 2b a l U(l) UmUm -a ale czyli i co więcej

19 x -aa 0 2b Fizyka: uziemiona elektroda

20 Ostatecznie model matematyczny ma postać:

21 Przedstawiamy potencjał w postaci: i podstawiając mamy: Dzieląc przez XY mamy: czyli: i

22 Mamy: i rozwiązanie pierwszego równania jest: ale stąd czyli

23 Z drugiego warunku: mamy: ponieważ więc czyli

24 Drugie równanie: ma rozwiązanie: Z warunku brzegowego: mamy: Biorąc pod uwagę: mamy: i pisząc C n =C 1n C 3n

25 Z ostatniego warunku brzegowego: mamy: Korzystając z ortogonalności funkcji cos liczymy współczynniki C n po wykonaniu całkowania mamy:

26 Znając potencjał możemy określić rozkład gęstości prądu z równania: czyli:

27 Obliczenie mocy traconej w płytce

28 Uwzględniając warunki zadania mamy: Podstawiając i wykonując całkowanie otrzymujemy:

29 Przykład -h h d -d x y Do prostokątnej płytki o wymiarach 2hx2d i stałej grubości H przyłożono dwie elektrody. 2g Górna elektroda położna w środku o szerokości 2g i potencjale V i dolna elektroda wzdłuż dolnego boku o potencjale 0. Przewodność płytki jest stała i wynosi. Wyznaczyć rozkład gęstości prądu w płytce i rezystancję zastępczą płytki przy tak przyłączonych elektrodach. Opis matematyczny: Przyjmując:

30 mamy: a potencjał spełnia równanie Laplacea: -h h d -d x y 2g Wniosek z geometrii elektrod: Potencjał jest jedynie funkcją współrzędnych x,y. Potencjał jest funkcją parzystą zmiennej x czyli

31 co oznacza, że jako rozwiązanie należy przyjąć funkcję parzysta względem x i można nasze zadanie rozważyć w obszarze -h h d -d x y 2g Warunki brzegowe: i

32 -h h d -d x y 2g i ostatni: gdzie Jak poprzednio przyjmujemy:

33 i mamy: oraz które mają rozwiązanie: Z warunku: wynika czyli

34 i stąd Z warunku brzegowego: wynika: Ponieważ więc

35 Z warunku brzegowego: mamy: czyli Potencjał będzie po wprowadzeniu zastępczej stałej: gdzie

36 Ostatni warunek brzegowy: daje: no i mamy schody!!! Jak wybrnąć z tych kłopotów?

37 Dla skrócenia zapisu wprowadzamy oznaczenie: czyli Żądamy minimum błędu aproksymacji średniokwadratowej:

38 Pozostała już tylko arytmetyka! Obliczamy ekstremum funkcji wielu zmiennych: i mamy: k=1,2,... Otrzymujemy nieskończony układ liniowych równań:

39 Niestety całki: i układ równań ma nieskończoną liczbę niewiadomych.

40 Rozwiązujemy w ten sposób, że ograniczamy liczbę wyrazów i rozwiązujemy układ o skończonej liczbie niewiadomych. Jest to jednak metoda bardzo pracochłonna i wymagająca albo dobrej znajomości metod rozwiązywania równań o nieograniczonej liczbie niewiadomych albo kilkukrotnego rozwiązania odpowiednio powiększanej liczby równań i ocenie odrzuconej części. W takiej sytuacji bezwzględnie bardziej efektywne są metody numeryczne.

41 Równania paraboliczne W równaniach parabolicznych: rozpatrujemy obszar: Warunki brzegowe ze względu na przestrzeń dzielą się identycznie jak warunki dla równań eliptycznych, a oprócz tego koniecznym jest postawienie warunku dla t=0 w całym obszarze.

42 Przykład II Dana jest długa szyna prostokątna o przekroju poprzecznym 2ax2b. W szynie płynie prąd zmienny o częstotliwości f i amplitudzie J m. Zakładamy, że częstotliwość f jest niska co pozwala na zaniedbanie efektu naskórkowości. Zakładamy, że temperatura szyny pozwala przyjąć założenie, że stałe materiałowe:,,, c są niezależne od temperatury. Szyna wymienia ciepło z otoczeniem zgodnie z prawem Fouriera, a współczynnik oddawania ciepła wynosi p. Temperatura otoczenia jest stała i wynosi 0. Obliczyć rozkład temperatury w szynie wywołany przepływającym prądem, jeżeli przed włączeniem prądu temperatura szyny była 0.

43 x y Z własności funkcji wynika, że analizę można ograniczyć do I ćwiartki układu współrzędnych czyli x 0, y 0. Funkcja spełnia równanie:

44 x oraz warunki brzegowe: wynikające z prawa Fouriera oraz wynikające z symetrii temperatury. Przyrost temperatury spełnia warunek początkowy:

45 Rozwiązania równania: poszukujemy wśród funkcji własnych operatora Laplacea, czyli podstawiamy do równania jednorodnego i dzieląc przez XYT mamy: Ze względu na warunki brzegowe wymagają aby przyjąć symetrię ze względu na x i y, czyli i oraz

46 które prowadzą do równań: Ze względu na warunek brzegowy wynikający z parzystości temperatury rozwiązania równań są:

47 Warunki brzegowe: prowadzą do równań: z których wyznaczamy wartości własne operatora Laplacea. Ponieważ stałe A, B muszą być różne od zera więc mamy: gdzie

48

49 Rozwiązania X, Y możemy zapisać: gdzie n, k są odpowiednio rozwiązaniami równań: Rozwiązanie równania

50 spełniające warunki brzegowe: i można zapisać w postaci: Funkcje T nk (t) wyznaczamy z równania: gdziez warunkiem początkowym:

51 Aby rozwiązać otrzymane równanie różniczkowe rozwijamy prawą stronę w prostokącie [0,a]x[0,b] według funkcji własnych które tworzą ortogonalny układ funkcji na prostokącie [0,a]x[0,b].

52 Na mocy warunku brzegowego mamy dla

53 Dla n=k mamy: Podobnie mnożąc przez i całkując na przedziale [0,b] otrzymujemy:

54 Mnożąc więc równanie: przez i całkując na prostokącie [0,a]x[0,b] otrzymujemy równanie: które wraz z warunkiem początkowym pozwala określić funkcję T nk (t).

55 Rozwiązanie równania: jest

56 gdzie Stałą A nk wyznaczamy z warunku początkowego:

57 Ostatecznie rozwiązanie jest

58 Równania hiperboliczne Podobnie jak w przypadku równań parabolicznych mamy warunki brzegowe typu przestrzennego jak dla równania eliptycznego. Dodatkowo należy określić dwa warunki początkowe określając rozkład funkcji i jej pierwszej pochodnej w chwili t=0. W przypadku zagadnienia zewnętrznego dla równania typu hiperbolicznego ogranicza się rozwiązanie tzw. warunkami wypromieniowania (warunki Somerfelda), które oznaczają, że funkcja zanika w nieskończoności jak 1/R, gdzie R- odległość od początku układu.

59 Przykład: Dana jest linia długa o długości L 0 bez strat o stałych kilometrycznych L,C.Na początku linii zostaje załączona siła elektromotoryczna e(t), a koniec linii jest zwarty. Określić rozkład prądów i napięć w linii. Równania linii długiej bez strat są: Różniczkując pierwsze równanie po x, a drugie po t i eliminując prąd otrzymujemy równanie hiperboliczne (falowe) dla napięcia:

60 gdzie - prędkość propagacji fali w linii. Warunki brzegowe zapisane dla napięcia są: Warunki początkowe wynikają z założenia, że linia była rozładowana przed załączeniem, czyli:

61 Jeszcze raz stosujemy przekształcenie Laplacea i mamy: którego rozwiązanie jest: gdzie stałe A 1 i A 2 wyznaczamy z warunków brzegowych: gdzie E(s)=L[e(t)].

62 Otrzymujemy: Rozwiązanie dla transformaty napięcia jest: Korzystając jak poprzednio z twierdzenia o splocie znajdujemy transformatę odwrotną L -1 [E(s)]=e(t) i

63 którą obliczamy korzystając z twierdzenia Cauchy. Całka po linii zamkniętej z funkcji analitycznej równa się sumie residuów funkcji znajdujących się wewnątrz krzywej całkowania pomnożonej przez 2 i. Funkcja ma bieguny w punktach s k zerowania się mianownika, tj. gdzie k=0, 1, 2,..... Obliczając residuum mamy:

64 Rozdzielając sumę dla dodatnich i ujemnych k i zmieniając znak k otrzymujemy ostatecznie:

65 Rozkład napięcia w linii określa wzór: Prąd w linii można otrzymać wykorzystując równania linii np.: i mamy:

66 Jako ostatni przykład zastosowania metody rozdzielania zmiennych rozważmy: Dana jest cienka prostokątna axb membrana zamocowana na brzegu. Na powierzchnię membrany działa ciśnienie p(x,y,t). Wyznaczyć drgania membrany, jeżeli w chwili t=0 była ona nieodkształcona i nieruchoma. Grubość membrany wynosi h, jej masa właściwa. x y w a b dy dx w x N N

67 w x N N Bilansując siły na oś w otrzymujemy: Wykonując redukcję i dzieląc przez hdxdy otrzymujemy równanie opisujące odkształcenie membrany:

68 gdzie Warunki brzegowe wyrażające fakt umocowania brzegu mają postać: Warunki początkowe są:

69 Przyjmując rozwiązanie w postaci: otrzymujemy dla równania jednorodnego po podzieleniu przez XYT: Przyjmujemy: Rozwiązując powyższe równania mamy:

70 Na mocy warunków brzegowych: mamy: Natomiast stałe, określamy z warunków brzegowych: i mamy: gdzie n,k=0,1,2,...

71 Rozwiązanie spełniające warunki brzegowe: ma postać: Podstawiając do równania otrzymujemy:

72 Funkcje tworzą ortogonalny ciąg na prostokącie [0,a]x[0,b]. Mnożąc równanie: obustronnie przez i całkując po powierzchni prostokąta [0,a]x[0,b] otrzymujemy:

73 gdzie Biorąc pod uwagę warunki początkowe: rozwiązanie równania można zapisać w postaci:

74 Ugięcie membrany w pod wpływem ciśnienia p jest opisane wzorem: gdzie

75 Metody numeryczne rozwiązywania równań różniczkowych cząstkowych Metoda różnic skończonych (siatek) Uwagi ogólne Dane równanie różniczkowe cząstkowe opisane operatorem L: w obszarze i warunki brzegowe:

76 XkXk W metodach różnicowych poszukuje się tablicy wartości przybliżonych u h rozwiązania dokładnego u na zbiorze izolowanych punktów X k (k=1,2,...,N h ) zwanym siatką. Punkty X k są nazywane węzłami siatki. węzeł pomocniczy węzeł podstawowy Równania służące do wyznaczania wartości przybliżonych nazywamy równaniami różnicowymi. x y hxhx hyhy h=(h x,h y ) Parametr h charakteryzuje siatkę h

77 Dla równania różniczkowego: w obszarze z warunkami brzegowymi: otrzymujemy jego odpowiednik różnicowy: Zakładając, że problem opisany równaniem różniczkowym ma jednoznaczne rozwiązanie, to równania różnicowe będą jego odpowiednikiem jeżeli są spełnione następujące warunki:

78 1. Układ równań różnicowych posiada jednoznaczne rozwiązanie: dla każdego dopuszczalnego h. 2. Zbieżność do rozwiązania dokładnego u. Oznacza to, że rozwiązanie u h powinno przy h 0 dążyć do rozwiązania dokładnego u. Dla określenia zbieżności jest koniecznym wprowadzenie odpowiednich przestrzeni funkcyjnych i norm w nich.

79 Wprowadzamy przestrzeń funkcyjną U z normą || || U, do której należy rozwiązanie dokładne u. oraz przestrzeń N h - wymiarową U h z normą || || Uh, której elementami są układy N h liczb i do której należy rozwiązanie u h. Normy || || U i || || Uh winny być zgodne, tzn. ponieważ funkcja u(x) jest określona w węzłach podstawowych X k siatki, to mówimy, że normy są zgodne jeżeli zachodzi: dla każdego u U.

80 Przykłady norm zgodnych: - zbiór węzłów wewnętrznych.

81 Wielkość: nazywamy błędem rozwiązania przybliżonego u h. U h dąży do rozwiązania dokładnego u(x), jeżeli Jeżeli można znaleźć taką funkcję (h), że to mówimy, że zostało znalezione oszacowanie błędu.

82 3. Stabilność Różnicowe zagadnienie brzegowe jest stabilne, jeżeli istnieją takie liczby >0 i h 0 >0, że dla dowolnych h<h 0 i f h F h, takich, że || f h || Fh < zadanie brzegowe: posiada jedno jednoznaczne rozwiązanie i zachodzi: gdzie C stała niezależna od h.

83 Twierdzenie wiążące stabilność i zbieżność: Jeżeli zadanie różnicowe jest przybliżeniem różniczkowego problemu brzegowego: i rozwiązanie u h jest stabilne wtedy zachodzi i rząd zbieżności w funkcji h jest taki sam jak rząd aproksymacji.

84 Zastępowanie pochodnych ilorazami różnicowymi na siatce prostokątnej i-1 i i+1 k-1 k k+1 hihi hkhk

85 i-1 i i+1 k-1 k k+1 hihi hkhk Druga pochodna dodając stronami:

86 i-1 i i+1 k-1 k k+1 hihi hkhk Dla pochodnej mieszanej

87 Konstrukcja warunków brzegowych na siatce i k 1. Przeniesienie wartości: Przyjmujemy: r(i,k, ) lub

88 2. Interpolacja liniowa dla warunku brzegowego Dirichleta i,k i-1,k i+1,k h Zakładając liniowy rozkład rozwiązania między sąsiednimi węzłami mamy: i dla x=x i + mamy:

89 3. Interpolacja liniowa dla warunku brzegowego Neumanna. n i,k i-1,k i,k-1 hkhk hihi

90 Równania eliptyczne Dla uproszczenia rozważań będą analizowane przypadki dwuwymiarowe x=(x,y) Warunki brzegowe:

91 1234 5 6 789 x(i) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 y(k) hyhy hxhx (0,0) jj+1 j-1 l p

92 Dla węzłów wewnętrznych będzie: jj+1 j-1 l p lub w formie macierzowej:

93 hyhy hxhx (0,0) jj+1 j-1 l p

94 styczna normalna p Przyjmując: (xk p,yk p ) p-1 m otrzymujemy:

95 Uwaga dotycząca błędu obliczeń. Generalnie jeżeli węzły nie leżą na krzywej brzegowej i liczymy metodą przeniesienia wartości, to dokładność obliczeń jest rzędu h. Jeżeli węzły na krzywej brzegowej bądź wyliczamy wartości funkcji brzegowej interpolując liniowo dokładność wzrasta do h 2. W zagadnieniu Dirichleta oprócz trudności z wyznaczeniem wartości brzegowych nie ma innych problemów i otrzymany układ równań algebraicznych najczęściej można rozwiązać bez kłopotów. Sytuacja może się komplikować przy zagadnieniu Neumanna. Siatki praktycznie nie stosowane w zagadnieniach eliptycznych liniowych i nieliniowych.

96 Równania opisujące ewolucję układu w czasie Równania paraboliczne Dane jednowymiarowe równanie przewodnictwa: x t 0 1h i-1i i+1 k+1 k k-1

97 x t 0 Nh i-1i i+1 k+1 k k-1 Oznaczamy operator różnicy II rzędu: i wprowadzamy schematy różnicowe z wagą : i

98 Problem brzegowy jest aproksymowany przez dla i=1,2,...N dla k=1,2,...,K. Warunki zgodności

99 k+1 k i-1 i i+1 Schemat sześciowęzłowy Jeżeli =0 schemat jest nazywany jawnym lub explicite k+1 k i-1 i i+1 Jeżeli 0 schemat jest nazywany niejawnym lub implicite k+1 k i-1 i i+1

100 k+1 k i-1 i i+1 Wartości w warstwie k+1 otrzymujemy rozwiązując układ równań: Czysto niejawny schemat: k+1 k i k+1 k i-1 i i+1 Schemat Cranka - Nicholsona:

101 Oszacowanie dokładności aproksymacji. Rozwiązanie dokładne zagadnienia brzegowego jest u(x,t) i jego wartość w węzłach (x i,t k ) siatki będzie oznaczana u(i,k). Rozwiązanie zagadnienia brzegowego sformułowanego dyskretnie jest Błąd aproksymacji jest

102 Dla oceny błędu w kroku k-tym wprowadza się normę, np.: lub Z wynika, że i podstawiając do w miejsce otrzymujemy równoważne zadanie różnicowe dla

103 gdzie błąd schematu różnicowego w stosunku do rozwiązania dokładnego u(x,t).

104 Mówimy, że przybliża rozwiązanie problemu brzegowego z dokładnością rzędu (m,n) lub O(h m + n ), jeżeli spełnia nierówność: gdzie M - stała.

105 Dla uproszczenia zapisu wprowadzamy: i mamy: Uwzględniając powyższe równości i podstawiając do

106 mamy Rozwijając funkcje u(n,p) w szereg Taylora w otoczeniu punktu: x i,t k +0.5 oraz wprowadzając oznaczenie: Będziemy mieli:

107 Uwzględniając powyższe zależności można zapisać w postaci:

108 Ale gdyż u jest rozwiązaniem dokładnym i w każdym punkcie obszaru spełnia równanie paraboliczne. Uwzględniając, żemamy

109 Jeżeli wyrażenie w nawiasie kwadratowym jest równe zeru, tzn.: oraz W obliczeniach numerycznych wygodniej przyjąć: to schemat ma dokładność O(h 4 + 2 )

110 Schemat: z jest schematem o podwyższonej dokładności wynoszącej: Jeżeli =0.5 jak w schemacie Cranka-Nicholsona, to

111 i dla =0.5 mamy: Dla zachowania oceny zbieżności O(h 2 + 2 ) należy przyjąć: lub Jeżeli 0.5 i *, to dokładność obliczeń jest rzędu O(h 2 + ).

112 Stabilność Zbadamy zachowanie się schematu: jawnego tj. =0

113 Schemat jest Przyjmijmy: i załóżmy, że warunek początkowy w punkcie i-tym jest dany z błędem. Badamy jak przenosi się błąd na siatce.

114 x t 0 N 0 Schemat jawny z =0 i

115 x t 0 N 0 Schemat jawny z =0 i Obliczenia z dokładnością do 2 miejsc

116 Analiza stabilności metodą spektralną Niech rozwiązanie jednorodnego zagadnienia różnicowego: ma postać gdzie

117 ale Po podstawieniu do mamy

118 Po podzieleniu przez otrzymujemy równanie: Warunek konieczny stabilności Neumanna stwierdza, że schemat różnicowy jest stabilny, jeżeli Dla =0 mamy

119 i na podstawie kryterium Neumanna otrzymujemy: czyli Dla = znajdujemy warunek na stosunek: Warunkiem zbieżności schematu jawnego jest spełnienie powyższego warunku. Warunek jest również prawdziwy dla schematu jawnego w przypadku wielowymiarowego równania parabolicznego.

120 Dowolne >0. Ocenę prowadzimy przy =. czyli Prawa nierówność jest spełniona dla dowolnych, a z lewej mamy:

121 Dla spełniających nierówność: warunek: jest spełniony dla dowolnego stosunku W szczególności schemat Cranka-Nicholsona =0.5 jest stabilny dla dowolnego stosunku kroków

122 Dla schematu o podwyższonej dokładności mamy bo Przedstawione rozważania można rozszerzyć na przypadki wielowymiarowe jak również na równania o zmiennych współczynnikach. W przypadku równań wielowymiarowych ocena zbieżności zależy również od sposobu aproksymacji warunków brzegowych podobnie jak w przypadku równań eliptycznych.

123 Równania hiperboliczne Jako przykład zostanie rozpatrzone równanie linii długiej bez strat o długości L. Dla napięcia u mamy: Wprowadzamy siatkę prostokątną:

124 x t 0 Nh i-1i i+1 k+1 k k-1 i funkcję węzłową oznaczamy: Przyjmujemy aproksymację pochodnych: i

125 i rozpatrujemy następujący schemat trójwarstwowy z parametrem >0: gdzie warunek początkowykonstruujemy tak, aby zachować rząd aproksymacji O( 2 ).

126 Mamy czyli Z równania falowego mamy: Warunek początkowy dla pierwszej pochodnej będzie określony z dokładnością O(h 2 + 2 ), jeżeli przyjąć, że czyli

127 Ostatecznie schemat różnicowy dla rozwiązania równania falowego jest Ocena dokładności aproksymacji Postępujemy podobnie jak poprzednio, a więc niech

128 gdzie jest rozwiązaniem różnicowego zagadnienia a u(x i,t k ) jest rozwiązaniem problemu brzegowego: w punkcie x i,t k.

129 Piszącotrzymujemy: gdzie Z konstrukcji warunku początkowego dla pochodnej wynika, że

130 Rozwijając w szereg Taylora mamy: Korzystając z otrzymanego wyniku mamy: Stąd otrzymujemy z dokładnością do małych 4-go rzędu:

131 Podobnie z dokładnością do małych 4-go rzędu. Ostatecznie otrzymujemy ocenę błędu: Funkcja u spełnia równanie falowe, a więc stąd niezależnie od !!!

132 Oznacza to również zależność odwrotną, a mianowicie dobór zależy tylko i wyłącznie od stabilności, a nie ma wpływu na dokładność obliczeń. Stabilność Analizujemy stabilność schematu różnicowego przy jednorodnych warunkach brzegowych:

133 Przyjmujemy rozwiązanie w postaci: i podstawiając do równania różnicowego: po wykonaniu kilku przekształceń otrzymujemy: Dzieląc równanie przez k-1 i grupując wyrazy otrzymujemy równanie określające :

134 Badamy pierwiastki równania: gdzie przy =. Wyróżnik: Jeżeli <0, to równanie ma dwa sprzężone pierwiastki zespolone 1, 2 o module równym 1 co wynika ze wzoru Viety: Dla =0 otrzymujemy warunek Couranta:

135 który oznacza, że prędkość wędrówki fali na siatce h/ jest większa od prędkości fazowej. Przypadek 0 prowadzi do pierwiastków większych co do modułu od jedności i dlatego należy te przypadki odrzucić. Analizę można rozszerzyć na przypadki wielowymiarowe.

136 Wady i zalety metody różnicowej Zalety: 1. Proste konstruowanie siatki podziałowej. 2. Prosta konstrukcja układu równań różnicowych szczególnie w środowiskach izotropowych. 3. Opracowane oceny błędów metody i warunki stabilności. Wady: 1. Duże trudności z dobrą aproksymacją brzegu lub wymuszony mały krok siatki. 2. Trudności z utrzymaniem rzędu aproksymacji przy interpolacji warunków brzegowych. 3. Praktycznie konieczność obliczania całego obszaru z tym samym krokiem podziałowym.