МАТЕМАТИКА
Сеточные методы решения уравнения переноса с запаздыванием
В. Г. Пименов,
С. В. Свиридов Кафедра вычислительной математики, Уральский федеральный университет, 620000, Россия, г. Екатеринбург, пр. Ленина, 51
Аннотация:
Рассматривается уравнение в частных производных первого порядка с эффектом наследственности:
$$
\frac{\partial u(x,t)}{\partial t}+a\frac{\partial u(x,t)}{\partial x}=f(x,t,u(x,t),u_t(x,\cdot)),\quad u_t(x,\cdot)=\{u(x,t+s),\ -\tau\leqslant s<0\}.
$$
Для такого уравнения, с позиций принципа разделения конечномерной и бесконечномерной составляющих состояния, строятся сеточные методы: аналог семейства схем бегущего счета, аналог схемы Кранка–Николсон, метод аппроксимации на середину квадрата. Для учета эффекта наследственности применяются одномерная и двойная кусочно-линейная интерполяции и экстраполяция продолжением. Доказывается, что рассмотренные методы имеют порядки локальной погрешности: соответственно
$O(h+\Delta)$,
$O(h+\Delta^2)$ и
$O(h^2+\Delta^2)$, где
$h$ – шаг дискретизации по пространственной переменной,
$\Delta$ – шаг дискретизации по временно́й переменной. Исследуются свойства двойной кусочно-линейной интерполяции. Используя результаты общей теории разностных схем, установлены условия устойчивости предложенных методов. С помощью вложения в общую схему численных методов для функционально-дифференциальных уравнений получены теоремы о порядках сходимости сконструированных алгоритмов. Приведены тестовые примеры по сравнению погрешностей методов.
Ключевые слова:
уравнение переноса, запаздывание, сеточные схемы, интерполяция, экстраполяция, устойчивость, порядок сходимости.
УДК:
519.63
MSC: 65M12 Поступила в редакцию: 03.06.2014