научная статья по теме О СХОДИМОСТИ ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ РЕШЕНИЯ БИЛИНЕЙНОГО УРАВНЕНИЯ ВОЛЬТЕРРА I РОДА Математика

Текст научной статьи на тему «О СХОДИМОСТИ ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ РЕШЕНИЯ БИЛИНЕЙНОГО УРАВНЕНИЯ ВОЛЬТЕРРА I РОДА»

ЖУРНАЛ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАТЕМАТИКИ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ, 2007, том 47, < 8, с. 1378-1386

УДК 519.642.5

О СХОДИМОСТИ ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ РЕШЕНИЯ БИЛИНЕЙНОГО УРАВНЕНИЯ ВОЛЬТЕРРА I РОДА1}

© 2007 г. А. С. Апарцин

(664033 Иркутск, ул. Лермонтова, 130, Ин-т систем энергетики СО РАН) e-mail: apartsyn@isem.sei.irk.ru Поступила в редакцию 02.02.2007 г.

Дано обоснование сходимости квадратурных методов (правых и средних прямоугольников) численного решения билинейного уравнения Вольтерра I рода. Приводятся также численные результаты для тестовых примеров. Библ. 11. Табл. 5.

Ключевые слова: билинейное интегральное уравнение Вольтерра I рода, квадратуры правых и средних прямоугольников, сходимость, функция Ламберта, саморегуляризация.

ВВЕДЕНИЕ

В [1], [2] рассматривались численные методы решения билинейного уравнения Вольтерра I рода

t 11

JK (t, s )9(s )ds + JJk2 (t, ss2 )9(sj )9(s2 )ds1 ds2 = f( t), t e[ 0, T], (1)

0 0 0

которое возникает, когда нелинейная динамическая система типа вход-выход аппроксимируется квадратичным полиномом Вольтерра, ядра K1(t, s), K2(t, s1, s2) (K2 симметрично по s1, s2) идентифицированы тем или иным способом (например, по методике из [3]) и ставится задача об определении такого входного сигнала ф(0, которому соответствует заданный выход f(t). На тестовых примерах было показано, что, как и в линейном случае, методы правых и средних прямоугольников сходятся по шагу сетки h с порядками O(h) и O(h2) соответственно, а в случае возмущения исходных данных в метрике C они обладают саморегуляризующим свойством.

В этой работе дадим доказательство их сходимости. Хотя основные этапы доказательства сохраняются теми же, что и в линейном случае (см. [4]), их реализация существенно усложняется из-за того, что система сеточных уравнений относительно вектора ошибки содержит и само сеточное решение, а это требует установления его равномерной по шагу сетки ограниченности.

1. АНАЛИЗ СХОДИМОСТИ

Относительно исходных данных в (1) помимо нужной гладкости будем предполагать, что Kj(t, t) Ф 0 Vt е [0, T и f(0) = 0. Введем обозначения

Lj = max |K 1 (t, s)| > 0, (2)

0 < s < t < T '

L2 = max IK, (t, sj, s2)| > 0, (3)

0 < sj, s2 < t < T t

M2 = max \K2(t, t, s)| > 0, (4)

0 < s < t < T

F = max f (t)| > 0, (5)

0 < t < T

min \K 1 (t, t) = к > 0. (6)

0 < t < T

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (код проекта 05-01-00336).

Не уменьшая общности, положим (для сокращения записи) к = 1. В [5]-[7] установлена точная верхняя оценка гарантированной для данных (к, Ьъ М2, ¿2, Р) области существования непрерывного решения ф (^ уравнения (1).

Так, при Ь1 = ¿2 = 0 имеем ф (Г) е С[0, ц, если Т < Т*, где

Т * = —1— (7)

4 М2 К У '

При Ь1 Ф 0, ¿2 = 0 имеем

Ц + 2 М2 Р ( ¿, \ 1 т* = _!-¿-Ь( 1 +-— - — (8)

Если, к примеру, Ь1 = Р = 2М2 = 1, то Т* = 21п2 - 1 ~ 0.3863. При Ь1 Ф 0 и ¿2 Ф 0 величина Т* зависит от знака дискриминанта квадратного трехчлена ¿2х2 + Ь1х + Р.

Например, при В = ¿1 - 4Ь2Р = 0 имеем

2М2

Т*= Ь - -¿-^(1 + 1п(а^)), (9)

¿2

где

Ь^+МЦ (¿2+ М2 )

а = -2М21Г' Ь = 1-21п Р +—¿2Ц—- (10)

Так, если Р = 2М2 = Ь2 = 1, = 2, то В = 0, а = Ь = 2 и, согласно (9), получаем Т* = 1 - 1п 2 ~ 0.3069. Формулы для Т* при В ^ 0 можно найти в [5]. Ниже предполагается, что условие Т < Т* выполнено.

Вводим сетку узлов ti = ¡к, г = 1, п, пк = Ти, аппроксимируя интегралы в (1) квадратурами правых прямоугольников, записываем в очевидных обозначениях сеточный аналог уравнения (1):

к I + к2 Ц К^ кФк Фк = /г, / = 1~П. (1)к

У =1 У = 1 к =1

Для получения сеточной аппроксимации функции ф (0 в ¡-м узле из (1)к имеем квадратное уравнение относительно фк, вещественность корней которого гарантирует неравенство Т < Т*, а выбор нужного корня определяется условием

фк^ ф(0) = КЖо).

Обозначим через фг = ф (ti), г = 1, п, каркас точного решения, а через £к - вектор ошибки сеточного решения:

к г к т .— к-. . ~л

£ = {£г } = {фг - фг }, г = 1, П .

Так как вектор {фг}, г = 1, п, удовлетворяет системе

г г

2

к I Кчффу + к2 II *2», кфуфк = /г - Ъ (ф), г = 1, п, (11)

У=1 У=1 к =1

где

^ ^ и

/ г

^г(ф) = | К! (tг, S )ф( 5 ) + Л К2 (tг, SU S2 )ф( ^ )ф( ^ ) ^ ^ - к I КХу фу + к' Ц К2^ фу фк

0 00 ^ У=1 У =1 к =1

есть суммарная погрешность квадратуры по [0, и [0, ^ х [0, то, вычитая (1)А из (11), получаем относительно еА следующую систему линейных алгебраических уравнений (СЛАУ):

г г г

ъЕ+ь2ЕЕ+ф^й) = -Вд), г' = ^• (12)

]=1 I=1 к=1

Как отмечено во Введении, СЛАУ (12) от аналогичной СЛАУ в линейном случае принципиально отличает вхождение в (12) векторов {фг-} и {ф^}, i = 1, п. Для получения оценки погрешности

численного решения необходимо предварительно оценить | ф (0| и | ф^ |, i = 1, п.

При различных соотношениях констант Ьъ Ь2, М2, F в [5]-[7] получены оценки вида

|ф(¿)1<Ф(Т), Т < Т*. (13)

Так, при Ь1 = Ь2 = 0 имеем

F

Ф( Т) =

При Ь1 Ф 0, Ь2 = 0 получаем

Ф( Т) = -

Ц,

2 М2 Р

-ехр

ЦТ -2 М2

Ь1 + 2 М2 Р + 2 М2 Р

'1 +

2 М2 Р

ехр-

Ц Т -2 М2

Р)

(14)

¿! + 2М2Р ^ Ц1+2М2Р ,

В (14) Ж - главная вещественная ветвь функции Ламберта (см. [8], [9]).

2

При - 4Ц2Р = 0 имеем

аЦ2 1 1

Ф( Т) =

-1, -ад/Ц^ехр

Ц

-2Ж(Ь - Т)

1 + -1, -а^ехр

Ц

-ж(Ь - Т)

(15)

В (15) а и Ь те же, что и в (10), а Ж(-1, ...) - вторая вещественная ветвь функции Ламберта, определенная на

-1, о'

е

Замечание 1. Функция Ф(Т) играет в теории билинейных уравнений Вольтерра I ту же роль, что и экспонента в линейной теории.

Чтобы показать, что |ф^ | также удовлетворяют неравенству типа (13), нам понадобится следующая

Лемма 1. Пусть X- множество решений числового неравенства

Тогда при а2 > 4Ьс имеем где

ах < Ь + сх , х, а, Ь, с > 0. X = X! и Х2,

Х1 = \х : х< х* =

Х2 = < х : х > х ** =

' - Уа 2 - 4 Ь с 1 2с

1 + л/а 2 - 4 Ьс 2с

а при а2 < 4Ьс получаем X = Л+.

Доказательство очевидно и следует из геометрических соображений. Теорема 1. Справедливо неравенство

у <Ф(т), I = ГТП. (16)

Доказательство. Вычитая (7 - 1)-ю строку из 7-й строки уравнения (1)А, переходя к оценке по модулю и учитывая обозначения (2)-(5), получаем неравенство

i-1 i-1 f i-1 \2 У < F + Lxh+ hM2(^h)2 + 2M2\Ф?|Л£ kl + L2 h£ |Ф;Й j=1 j=1 v j=1 ^

i = 2, и.

Обозначим через x* меньший корень сеточного уравнения

i-1 i-1 i-1 2

xi =

F + L j h £ xj + hM2x2 + 2M2x,h £ x, + L2 h £

x,-

j = 1 j = 1 Согласно лемме 1, при достаточно малом h имеем

М < x*, i = 2, и,

i = 2, и.

j = 1

(17)

(18)

Если ввести замену

|_h| < x* = 1 - л/ 1 - 4M2 Fh

191 <xi 2M2 h .

то получим

0, = h £ x,, 0q = 0, i = 1, и,

j = 1

0i- 0i -1 . -j— x, = -;-, i = 1, и,

(19)

(20)

и подстановка (19), (20) в (17) дает

0 - 0-1 _ F + L о,-1+ L2 02-1

h 1- M2 (0, + 0,-1)

Разностная схема (21) аппроксимирует задачу Коши

, 0о = 0, i = 1, и.

F + L, 0( t) + L202( t)

0'(t) = —- 1 ' ^- 2 v', 0(0) = 0, 0 < t < t,

(21)

(22)

1-2 М20( г)

решением 0*(г) которой и является (см. [5]-[7]) функция Ламберта или (при Ь1 = Ь2 = 0) функция

1 - У1 - 4И2 П

0 *( t) =

2M2

а 0*'(г) = Ф(г), г е [0, Т]. Поскольку х* = (0* - 0*-1 )/И, то справедливость теоремы 1 в силу (18) будет следовать из неравенства

x* <0*'(t,), i = 1, и.

В частном случае, когда Ь1 = Ь2 = 0, погрешность разностной схемы (21) равна нулю, так как

0* = 0*(t,) =

) 1-^/1-4 MM Fih . — ) = --Т77-, i = 1, и,

2M2

и

откуда, в силу монотонного возрастания 0*'(t), имеем

X* = 00 * ( tt ) -0 * ( ti - - ) = 0 *,( t¡), ^ [ ^ 1, fi ] ,

и (23) выполняется. Справедливость (23) в общем случае следует тогда из явности числителя в (21). Теорема 1 доказана.

Замечание 2. Численные результаты показывают, что при замене в числителе (21) хотя бы в одном слагаемом 0i _ 1 на 0i неравенство (23) может нарушаться. Еще одно вспомогательное утверждение содержит

Лемма 2. При достаточной гладкости исходных данных в (1) справедлива оценка

|^(ф) - Ri-1 (ф)| < ch2, i = 2, n, c = const.

Доказательство элементарно и вытекает из стандартной оценки погрешности квадратуры правых прямоугольников.

Теперь можно сформулировать основную теорему сходимости.

Теорема 2. Пусть

Y(Т) = 2h0M2Ф(T) + 2M2ТФ(Т) < 1. (24)

Тогда при достаточной гладкости исходных данных в (1) и h < h0 справедлива оценка

max |eh| = O(h). (25)

1 < i < n

Доказательство. Заменяя i в (12) на i - 1, находим разность между соседними строками СЛАУ (12) с учетом симметрии ядра K2 по второму и третьему аргументам:

i -1 i -1 i -1

h eh + h £ (K hj - K1 )e;h + h2 K2U¡ (9 + 9 )eh + h2(9 + 9h) £ K^ e;h + h2eh £ K^ (9 + 9;h) +

1 = 1 j = 1 j =1 (26) i -1 i -1

+ h2£ £ (K2.. t - K2ij,t)(фk + qhk)e;h = Ri-1(9) - Ri(9), i = 27ñ.

j=1 k=1

Разделим (26) на h, перейдем к оценке по модулю и, учтя (2)-(5), (13), (16), получим

И <_ch_+ L1 + ^M2 CD ( Т ) + 2 L 2 Тф ( Т ) £ ,h, i = 2- (27)

|г|_ 1 - 2 hM2Ф( Т) - 2 M2 ТФ( Т) 1-2hM20( Т)-2М2ТФ( Т) ^ 1 1 ' ' v ;

j = 1

Кроме того, при i = 1 непосредственно из (12) имеем

ih, < R (Ф)| / h

1-2 ЙМ2Ф( T)'

и так как |^1( ф )| < ch2, то (27) выполняется и для i = 1.

Окончательно, усиливая (27) с учетом (24) и применяя разностный аналог леммы Гронуолла— Беллмана, приходим к неравенству

(L1 + 2 М2Ф(Т) + 2 i2TO(T ))T

|eh| < ch e i = О

14 < 1 - Y ( T )e ' i 1 и'

из которого следует (25).

Замечание 3. Если ввести сетку узлов ti _ 1/2 = (i — 1/2)h и потребовать непрерывность К'" , К2'' и

ty t^2

ф'' (t), то приведенная техника обеспечивает доказательство сходимости метода средних прямоугольников с порядком O(h2). Детали доказательства опускаем. Аналогичный результат справедлив и для метода интегрирования произведения (product integration method), рассмотренного в линейном случае в [10] и особенно эффективного, если ядра К1 и К2 сильно осциллируют.

О СХОДИМОСТИ ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ 2. ЧИСЛЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

В качестве примера рассмотрим два билинейных уравнения, отличающихся лишь правой частью:

t , t ) 2 j"( 1- (t - 5))ф(5)ds ~2 |ф(s)ds

= t -1

(28)

t ft ч 2

j( 1- (t - s ))Ф( s) ds -2 |ф( s) ds

= t.

(29)

Легко проверить, что (единственным) непрерывным решением уравнения (28) является ф (t) = 1, t е [0, T] VT < <~, при этом k = 1, L1 = 1, M2 = 1/2, L2 = 0 и, так

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком