偏微分方程有限元方法共65页
求解偏微分方程三种数值方法
数值模拟偏微分方程的三种方法介绍（有限差分方法、有限元方法、有限体积方法）I．三者简介有限差分方法（Finite Difference Methods）是数值模拟偏微分方程最早采用的方法，至今仍被广泛使用。
该方法包括区域剖分和差商代替导数两个步骤。
首先将求解区域划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解区域。
其次，利用Taylor级数展开等方法将偏微分方程中的导数项在网格节点上用函数值的差商代替进行离散，从而建立以网格节点上的值为未知量的代数方程组。
该方法是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解法，数学概念直观，表达简单，是发展较早且十分成熟的数值方法。
差商代替导数后的格式称为有限差分格式，从格式的精度来考虑，有一阶格式、二阶格式和高阶格式。
从差分的空间离散形式来考虑，有中心格式和迎风格式。
对于瞬态方程，考虑时间方向的离散，有显格式、隐格式、交替显隐格式等。
目前常见的差分格式，主要是以上几种格式的组合，不同的组合构成不同的差分格式。
差分方法主要适用于结构网格，网格的大小一般根据问题模型和Courant 稳定条件来决定。
有限元方法（Finite Element Methods）的基础是虚位移原理和分片多项式插值。
该方法的构造过程包括以下三个步骤。
首先，利用虚位移原理得到偏微分方程的弱形式，将计算区域划分为有限个互不重叠的单元（三角形、四边形、四面体、六面体等），在每个单元上选择合适的节点作为求解函数的插值点，将偏微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的分片插值基函数组成的线性表达式，得到微分方程的离散形式。
利用插值函数的局部支集性质及数值积分可以得到未知量的代数方程组。
有限元方法有较完善的理论基础，具有求解区域灵活（复杂区域）、单元类型灵活（适于结构网格和非结构网格）、程序代码通用（数值模拟软件多数基于有限元方法）等特点。
有限元方法最早应用于结构力学，随着计算机的发展已经渗透到计算物理、流体力学与电磁学等各个数值模拟领域。
偏微分方程的数值方法
偏微分方程的数值方法偏微分方程是描述自然界许多现象的一种数学模型，它包含多个独立变量，并且方程中的未知函数同时取决于这些变量。
偏微分方程的数值方法是一种求解这类方程的途径，它通过将连续的方程转化为离散的方程，从而使得问题成为一个适用于计算机求解的形式。
本文将介绍几种常用的偏微分方程数值方法。
1. 有限差分法 (Finite Difference Method)有限差分法是最常用的偏微分方程数值方法之一、它将连续的偏微分方程转化为离散的差分方程，通过计算差分方程的近似解来获得原方程的数值解。
在有限差分法中，首先将空间域离散化成网格，再将时间域离散化成步长。
通过近似替代偏微分方程中的导数，将方程转化为差分方程。
通过求解差分方程的解，可以得到偏微分方程的数值解。
2. 有限元法 (Finite Element Method)有限元法是另一种常用的偏微分方程数值方法。
它将连续的偏微分方程转化为离散的代数方程，通过求解代数方程来获得原方程的数值解。
在有限元法中，首先将空间域离散化成有限个小区域，称为有限元。
然后通过选取适当的试探函数和权重函数在每个有限元内部进行插值。
通过将插值函数带入原方程，使用变分原理和加权残差法推导出离散的代数方程。
再通过求解代数方程组的解来得到偏微分方程的数值解。
3. 边界元法 (Boundary Element Method)边界元法也是一种常用的偏微分方程数值方法。
它将连续的偏微分方程转化为边界上的积分方程，通过求解积分方程来获得原方程的数值解。
在边界元法中，将问题的物理域分为两个区域：内域和外域。
通过在内域内求解偏微分方程，得到内域的数值解。
然后通过边界条件将内域的解扩展到整个物理域的边界上。
最后将边界上的积分方程转化为代数方程组，并求解之得到最终的数值解。
4. 谱方法 (Spectral Method)谱方法是一种高精度的偏微分方程数值方法，它同时利用了空间域和频率域的特性。
偏微分方程求解方法总结
偏微分方程求解方法总结偏微分方程（Partial Differential Equations，简称PDE）是描述自然界中许多现象的重要数学工具。
求解偏微分方程有许多不同的方法，下面将对其中一些常用的方法进行总结和介绍。
I. 分离变量法（Method of Separation of Variables）分离变量法是求解偏微分方程最常用的方法之一。
它的基本思想是将多个变量的偏微分方程分解成一系列只包含一个变量的常微分方程，再通过求解这些常微分方程来获得原偏微分方程的解。
具体步骤如下：1. 根据问题所给的边界条件和初始条件，确定偏微分方程的类型（椭圆型、双曲型或抛物型）以及边界条件的类型（Dirichlet条件、Neumann条件等）。
2. 假设原方程的解可以表示为一系列只包含一个变量的函数的乘积形式，即 u(x, y) = X(x)Y(y)。
3. 将 u(x, y) 和其各个分量的偏导数代入原偏微分方程，得到关于X(x) 和 Y(y) 的常微分方程。
4. 求解得到 X(x) 和 Y(y) 的表达式，并根据给定的边界条件，确定它们的取值。
5. 最后将 X(x) 和 Y(y) 的表达式代入 u(x, y) 的乘积形式，得到原偏微分方程的解。
分离变量法适用于边界条件分离的情况，并且对于较简单的偏微分方程求解效果较好。
II. 特征线法（Method of Characteristics）特征线法主要用于求解一阶偏微分方程，尤其是双曲型和抛物型偏微分方程。
该方法通过引入新的独立变量和新的变量关系，将原偏微分方程转化为一系列常微分方程来求解。
具体步骤如下：1. 根据偏微分方程的类型，确定要求解的未知函数及其偏导数之间的关系。
2. 引入新的自变量和新的关系式，将偏微分方程化为带有新变量的常微分方程组。
3. 将常微分方程组进行求解，并得到新变量的表达式。
4. 根据新的变量表示原方程的解，进而确定未知函数的表达式。
偏微分方程数值求解方法
偏微分方程数值求解方法偏微分方程数值求解方法是使用计算机算法来近似求解偏微分方程的过程。
偏微分方程是描述物理现象和自然现象的主要工具，但大多数偏微分方程不能通过解析方式求解，因此需要使用数值方法进行近似求解。
常用的偏微分方程数值求解方法包括有限差分法、有限元法、谱方法、边界元法和逆时空方法等。
1. 有限差分法有限差分法是一种最简单的数值求解方法，它将偏微分方程中的导数离散化为差分的形式，然后通过有限差分公式求解。
在有限差分法中，将求解区域离散化为网格，然后在每个节点上求解方程，通过节点之间的连通关系建立系数矩阵，最终利用线性代数方法求解线性方程组。
2. 有限元法有限元法是一种广泛运用的数值求解方法，它将求解区域离散化为有限个子域，然后在每个子域内近似求解方程。
有限元法是一种基于变分原理的方法，通过将偏微分方程转化为变分问题，然后在有限维的函数空间中建立逼近函数，最终利用变分方法求解方程。
3. 谱方法谱方法是一种基于傅里叶变换的数值求解方法，它将求解域上的函数表示为傅里叶级数的形式，然后通过求解系数来近似求解方程。
谱方法具有高精度、高效率的优点，但对于非周期边界和奇异性问题可能不适用。
4. 边界元法边界元法是一种基于积分方程的数值求解方法，它将偏微分方程转化为边界积分方程，然后在求解区域表面上求解方程。
边界元法不需要离散化求解区域，仅需在求解区域表面上采集节点，并通过节点之间的关系建立系数矩阵。
5. 逆时空方法逆时空方法是一种利用观测数据反演偏微分方程的数值求解方法，它通过最优化算法将观测数据反演为偏微分方程的参数。
逆时空方法对模型假设和观测数据的噪声较为敏感，但可以应用于各种偏微分方程的求解。
偏微分方程的有限元法
第五章 偏微分方程的有限元法
有限元法特点有限元法的物理意义直观明确，理论完整可靠。 因为变分原理描述了支配物理现象的物理学中的最小作用原理（如力学中的最小势能原理）。 优异的解题能力。有限元法对边界几何形状复杂以及媒质物理性质变异等复杂物理问题求解上，有突出优点： ① 不受几何形状和媒质分布的复杂程度限制。 ②不必单独处理第二、三类边界条件。 ③ 离散点配置比较随意，通过控制有限单元剖分密度和单元插值函数的选取，可以充分保证所需的数值计算精度。
有限元法于上世纪50年代首先在力学领域-----飞机结构的静、动态特性分析中得到应用，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限元法主要用于求解拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各类物理场中。
第1页/共106页
第五章 偏微分方程的有限元法
有限元法---变分原理
第4页/共106页
5.1 泛函与变分原理
数学上，通常自变量与因变量间的关系称为函数，而泛函则是函数集合的函数，也就是函数的函数，即自变量为函数，而不是变量。
5.1.1 泛函的定义 泛函通常是指一种定义域为函数，而值域为实数的“函数”。 设C是函数的集合，B是实数集合。如果对C中的任一元素y(x)，在B中都有一个元素J与之对应，则称J为y(x)的泛函，记为J[y(x)]。
5.1.3 泛函的变分
定义最简泛函
F(x,y,y’)称为泛函的“核函数”
泛函的变分
最简泛函: 核函数只包含自变量 x、未知函数y(x)以及导数y’(x)
第9页/共106页
5.1 泛函与变分原理
利用二元函数的泰勒展开
第10页/共106页
5.1 泛函与变分原理
其中
分别称为泛函的一阶变分和二阶变分。
偏微分方程的有限元法求解
16.901讲义笔记一维有限％首先，我们考虑•个比上一节稍微复杂点的问题; 豎二f(X),卫冲，V(O) = O.V(L)=O在这里，f(X)是)C的般函数，我们来看•个特别的情形：f(x)=x(L-x),此时，方程的梏确解如F：有限元方法利用加权残差的方法■其中:(1)设va)=£«Ma), v()()是我们对v(x)的近似，省为未知常数9 V|(x)是用户选择的歯数，即形状朗数：(2)定义N个加权残差LRj = p^(x)R(V)dx • j = l-> N to其中，RV)二器・f为绒差凹⑴足“用户”选择的加权函数，即权函数:(3)令加权残并为冬•町以确定⑷的值，即求耳使得对所fi 1=I->N, Rj=Oe令限元方法( )是加权残若法的一种，下血看看我们是如何用它来解决问题的。
一维有限元方法有限元方法（〉扌野个连续区域离散化-系列小单尤，这些单元与有限差分法（）或有限体积法（）产牛的网格完全相同，而佼之前两者主耍的优点在于：能够容易地把握单元的变化范囤。
对于我们讨论的一维问题,可以将区域（数轴〉离散化为如下图所示:这里，叫三单•元的个数。
我们还会用別下血i些定义：个三角划分；尽管令限元法对于一维，二维，三维甚至高细问题都是仃效的，们我们还是要谈及区域离散化的一种方浓，即三角划分。
4 T定义为第I个单元所在的区域。
对于_维问题,这表明，TS-个满足片心的X的集合。
接卜来耍确定的是毎个单兀该用什么样的函数，典型的函数形式就是用从一个单元到卜一个单兀保持解连续的多项式。
例如：一个线性有限元如卜團;i示:在毎个单元内的函数是线形的，在毎两个单元的交点处足连续的。
对于专门诜择的满足线件变化的形状函数,右估计残差时有一个很明显的问题：回忆前曲的内容，RV)二器一f,它在一个单冗里等于什么呢?因为函数是线性的,所以器=0,则有:R(V)=f ,即R(V)与无关。
冋时，满足线性变化的形状函数似乎也是一个好的近似，我们举-个例子来说明。
第六章 第一讲 偏微分方程的有限元法
5.1 泛函与变分原理
数 学 物 理 方 法
5.1.2 变分法
研究泛函极值问题的方法可以归为两类：一类叫直接法，
即直接分析所提出的问题；另一类叫间接法，即把问题 转化为求解微分方程．为讨论间接方法，先介绍变分和 泛函的变分．
Beijing Institute of Technology Deng, Junjun
5.1 泛函与变分原理
数 学 物 理 方 法
类似的例子还可以举出很多，例如，闭合曲线围成的
面积，平面曲线绕固定轴而生成的旋转体积或表面积，
等等，它们也都确定了各自的泛函关系。
这里的函数集合，即泛函的定义域，通常包含要求
y(x)满足一定的边界条件，并且具有连续的二阶导数， 这样的y(x)称为可取函数。
极小值充分条件： J y0 变分： j
j 0 0
0
0
j 0 0
0 是 J 在 y0 处的变分，记为
J
16/76
Beijing Institute of Technology Deng, Junjun
dengjunjun@
15/76
5.1 泛函与变分原理
数 学 物 理 方 法
泛函极值问题转化为一般函数的 j() 极值问题，即：
j J y min!
当 =0时泛函取得极小值J(y0)，根据微积分学可知，
泛函在 y0 取得极值的必要条件是
J y0 0 0
变分运算的几条简单法则：
Beijing Institute of Technology Deng, Junjun
dengjunjun@
20/54
5.1 泛函与变分原理
有限元方法 求解微分方程
有限元方法求解微分方程有限元方法是一种常用的数值计算方法，可以用来求解微分方程。
在本文中，我们将介绍有限元方法的基本原理和求解微分方程的步骤。
有限元方法是一种将连续问题离散化的数值方法，它将连续的物理域划分为许多小的子域，称为有限元。
这些有限元可以是简单的几何形状，如线段、三角形或四边形。
通过在这些有限元上建立适当的数学模型，我们可以得到一个离散化的方程系统。
要求解微分方程，首先需要将微分方程转化为一个变分问题。
变分问题是通过将微分方程左右两边乘以一个测试函数，然后对整个方程进行积分得到的。
通过这样的转化，我们可以将微分方程问题转化为一个变分问题，这样就可以应用有限元方法进行求解。
在有限元方法中，我们选取一个适当的有限元空间，并在每个有限元上构建一个适当的试验函数空间。
试验函数空间是由一组基函数生成的，这些基函数是在每个有限元上定义的。
通过将基函数与试验函数空间上的权函数相乘，并在整个物理域上进行积分，我们可以得到一个离散化的方程系统。
接下来，我们需要对离散化的方程系统进行求解。
通常，我们使用线性代数方法，如高斯消元法或迭代法，来解决这个离散化的方程系统。
通过求解这个方程系统，我们可以得到有限元问题的近似解。
我们需要对有限元解进行后处理。
这包括计算物理量的值和误差的估计。
通过计算物理量的值，我们可以得到微分方程问题的数值解。
通过计算误差的估计，我们可以评估数值解的精度。
有限元方法是一种常用的求解微分方程的数值方法。
通过将微分方程转化为一个变分问题，然后应用有限元方法进行离散化和求解，我们可以得到微分方程的数值解。
通过对数值解进行后处理，我们可以评估数值解的精度。
有限元方法在工程和科学计算中有广泛的应用，可以解决各种不同类型的微分方程问题。