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有关刚性方程组

(2009-07-22 17:27:00)
标签:

杂谈

刚性方程组
考虑问题:



方程的解为



其中e-2000xe-2x都趋于0,但二者衰减速度大不一样,e-2000xx=0.01时就衰减到了e-20,而e-2x要到x=10才降到e-20。若用经典Runge-Kutta方法来求解,考虑到数值稳定性,必须取步长



经典Runge-Kutta方法的绝对稳定区间为(-2.785,0),要使其具有数值稳定性,必须选取步长h使λh落在绝对稳定区间内,这里λ=2000。)若取h = 0.001,则计算到x=0.01时,e^-2000x对应的数值解部分已小于1.7×10-5,计算到x=0.02时小于2.7×10-10 , 在以后的计算中,快速衰减部分已可忽略。若单对缓慢衰减部分e-2x,步长可以取得较大。但由于快速衰减部分的影响,步长不可大于0.00139,这样从x=0计算到x=10,至少要算近7200步,工作量很大。而且当x>0.02时,每前进一步,由于e-2x的影响,数值解变化不大。这种现象就是所谓的“刚性”现象。这是因为2000与2的差别太大。
刚性方程组的定义:
对常系数微分方程组初值问题:



如果矩阵A的特征值满足



则称其是刚性的,或坏条件的。S 称为刚性比。

结论:对于方程组



若其Jacobi阵



的特征值在区间I上满足



则称该方程组在 I上是刚性的。

说明:刚性方程组的解法,可用隐式Euler方法、梯形方法、Gear(吉尔)方法和Runge-Kutta方法来解。

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