Вычислительная математика. Рубрика в журнале - Вестник Бурятского государственного университета. Математика, информатика
To numerical methods for solving multidimensional integro-differential equations
Статья научная
The third boundary value problem for a multidimensional convection-diffusion equation with memory effect and non-local (integral) source is investigated. To solve numerically the multidimensional problem, a locally one-dimensional difference scheme is constructed, the essence of the idea of which is to reduce the transition from layer to layer to sequential solving of a number of onedimensional problems in each of the coordinate directions. Using the method of energy inequalities for the solution of a locally one-dimensional difference scheme, an a priori estimate is obtained. The main research method is the method of energy inequalities. An a priori estimate of the LOS solution is obtained, from which follow uniqueness, stability, and convergence of the solution of the difference problem to the solution of the original differential problem at a rate equal to the approximation error. Numerical experiments were carried out.
Бесплатно
Вариационно-разностный метод решения трехмерных задач электропроводности в гиротропных средах
Статья научная
Для гиротропной среды операторы эллиптических краевых задач электропроводности, традиционно формулируемых для электрического потенциала, несимметричны, что затрудняет численное решение таких задач. В настоящей работе используются предложенная автором формулировка краевой задачи с симметричным положительно определенным оператором. Новыми неизвестными функциями являются пары специальных потенциалов, скалярного и векторного, которые в частных случаях совпадают с электрическим потенциалом и функцией тока. Аналогичные задачи формулируются при моделировании теплопроводности или диффузии в движущихся или гиротропных средах. Для новой задачи справедлив принцип минимума квадратичного функционала энергии, аналогичный принципу Дирихле для уравнения Пуассона. Введенная энергетическая норма эквивалентна сумме энергетических норм четырех новых неизвестных функций как элементов пространств, используемых для основных краевых задач для уравнения Пуассона. Это позволяет использовать классические теоремы аппроксимации решений кусочно-линейными функциями и создать простой вариационно-разностный метод, то есть свести задачу к системе линейных алгебраических уравнений для узловых значений аппроксимирующих функций. Матрица этой системы симметрична и положительно определена. В настоящей работе выведены формулы, необходимые для построения коэффициентов этой матрицы, начиная с геометрических построений в сеточных тетраэдрах. Предложена дискретная модель, позволяющая интерпретировать одно из уравнений вариационно-разностной схемы как закон сохранения заряда, проинтегрированный по ячейкам сетки. На примерах показана сходимость получающихся приближенных решений при мельчении сетки.
Бесплатно
Метод оценки предельных значений дисперсии нестационарных случайных сигналов
Статья научная
Предлагается метод оценки предельных значений дисперсии нестационарных случайных сигналов типа переходный режим, являющихся реакцией линейных динамических объектов (ЛДО) на включение стационарного случайного воздействия с известной дисперсией и нормированной корреляционной функцией. Метод основан на известном способе оценки предельной реакции ЛДО на ограниченное по модулю детерминированное воздействие. Получены оценки отдельно для ЛДО со знакопостоянными и знакопеременными импульсными характеристиками (ИХ). Для ЛДО со знакопостоянной ИХ искомая оценка с точностью до постоянного множителя равна квадрату переходной характеристики. Для ЛДО со знакопеременной ИХ искомая оценка содержит взвешенные умммы интегралов от ИХ на интервалах знакопостоянства. Весовые коэффициенты представляют собой сумму интегралов от модулей ИХ или интегралы модулей ИХ по интервалам знакопостоянства. Оценки имеют вид монотонно возрастающих функций, их вычисление значительно проще вычисления исходной дисперсии реакции.
Бесплатно
Многошаговые методы для численного решения интегро-алгебраических уравнений индекса два
Статья научная
Многие процессы, протекающие в различных экобиологических и физических системах, описываются взаимосвязанными интегральными уравнениями Вольтерра I и II рода. Их можно записать в виде системы с тождественно вырожденной матрицей перед главной частью - интегро-алгебраического уравнения. В статье исследован класс линейных интегро-алгебраических уравнений, для которого в терминах матричных полиномов сформулированы доста -точные условия существования единственного непрерывного решения. Отмечено принципиальное отличие рассматриваемых задач от интегральных уравнений Вольтерра I и II рода. Работ по качественной теории интегро-алгебраических уравнений мало, а численные методы практически не развиты. Так как многие методы, разработанные для численного решения интегральных уравнений Вольтерра, либо принципиально не применимы, либо приводят к расходящимся процессам. Для выделенного класса задач разработаны одно- и двухшаговые методы, основанные на модификации методов типа Адамса. В качестве подтверждения эффективности алгоритмов приведены результаты численных экспериментов.
Бесплатно
О выборе краевых условий для дифференциально-алгебраических уравнений второго порядка
Статья научная
В статье рассмотрены системы линейных обыкновенных дифференциальных уравнений второго порядка на конечном отрезке интегрирования с тождественно вырожденной квадратной матрицей перед второй производной - так называемые дифференциально-алгебраические уравнения второго порядка. Такие постановки задач достаточно часто возникают в приложениях. Отмечены сложности качественного исследования и построения численных методов решения рассматриваемых уравнений. Предполагается, что для систем, исследуемых в данной работе, заданы краевые условия, число которых меньше, чем удвоенная размерность исходной системы. Выделен класс дифференциально-алгебраических уравнений второго порядка, для которого, используя известные результаты теории проекторов, предложен алгоритм выбора недостающих краевых условий. Для иллюстрации разрабатываемого авторами метода рассмотрен простой пример. В заключении статьи уделено внимание перспективам дальнейшего исследования данного алгоритма.
Бесплатно
О коллокационно-вариационной разностной схеме для дифференциально-алгебраических уравнений
Статья научная
В статье рассмотрены системы обыкновенных дифференциальных уравнений с тождественно вырожденной матрицей перед производной (дифференциально-алгебраические уравнения). Предполагается, что для таких систем задано начальное условие, которое согласовано с правой частью, то есть рассматриваемая задача имеет решение. Приведены необходимые определения из теории решения дифференциальноалгебраических и жестких обыкновенных дифференциальных уравнений, показаны сложности численного решения таких задач. Предложен частный случай коллокационно-вариационного подхода для решения дифференциально-алгебраических уравнений, содержащих жесткие компоненты, и индекса не выше двух. Получены функции устойчивости предлагаемого алгоритма для модельного уравнения Далквиста. Приведены численные расчеты известных тестовых примеров.
Бесплатно
Статья научная
В настоящей статье рассмотрены линейные взаимосвязанные системы алгебраических и обыкновенных дифференциальных уравнений, достаточно часто встречающиеся в важных прикладных задачах энергетики, кинетической химии, биологии и других областей. В литературе их принято называть дифференциально-алгебраическими уравнениями. Отмечены трудности, возникающие при реализации методов их численного решения, и характерные свойства рассматриваемых задач, в частности некорректность. Детально описано построение одного частного случая коллокационно-вариационного подхода, весьма хорошо зарекомендовавшего себя для решения различных классов дифференциально-алгебраических уравнений. Данный подход основан на решении специфической задачи математического программирования. На тестовом примере показано, что данная разностная схема может порождать регуляризирующий алгоритм (обладать так называемым свойством саморегуляризации) с параметром регуляризации - шагом сетки.
Бесплатно
Статья научная
В данной работе рассматриваются кубатурные формулы общего вида, в которые входят значения функции и ее производных, приводится общее представление финитных функционалов этих формул.
Бесплатно
Приближенное решение интегралов от показательных и степенных функций
Статья научная
Получено приближенное решение для интегралов, содержащих произведение степенной функции, экспоненциальной показательной функции с аргументом в виде перевернутой параболы второго порядка, модифицированной функции Бесселя первого рода и смещенной простой функции ошибок. В ходе решения приведены к замкнутой форме интегралы от произведения степенной и экспоненциальной функции с квадратичным показателем, а также упрощены табличные интегралы, содержащие произведение степенной функции с четным или нечетным показателем и экспоненциальной функции со смещенным квадратичным показателем. В работе использовано разложение модифицированной функции Бесселя первого рода и неполной гамма-функции в степенной ряд. Решение позволяет определить необходимое число членов ряда, чтобы интегральная ошибка не превысила заданное значение. Результаты работы могут найти применение при исследовании механических и радиотехнических процессов.
Бесплатно
Точные алгоритмы реализации метода наименьших модулей на основе спуска по узловым прямым
Статья научная
Описаны алгоритмы точного решения задачи оценивания параметров линейных регрессионных моделей методом наименьших модулей. Они основаны на спуске по узловым прямым. Предложенные алгоритмы включают в себя обычный спуск, спуск с использованием разреженных матриц и спуск с использованием разреженных матриц и с учетом направления спуска. Данные алгоритмы значительно выигрывают по сравнению с известным переборным алгоритмом и могут эффективно использоваться на практике. Получена оценка вычислительной сложности алгоритма спуска по узловым прямым. Приведена схема алгоритма. Методом статистических испытаний Монте - Карло был проведен сравнительный анализ предложенного алгоритма на основе спуска по узловым прямым и приближенного алгоритма Вейсфельда. Описан пример практической реализации предложенных алгоритмов.
Бесплатно
Численное исследование гибридного алгоритма глобального поиска в гексаматричных играх
Статья научная
В статье представлен гибридный подход к разработке методов отыскания ситуаций равновесия по Нэшу в полиматричных играх трех лиц (гексаматричных играх). С одной стороны, он базируется на теории глобального поиска в невыпуклых задачах оптимизации с d.c. функциями (представимыми в виде разности двух выпуклых функций), созданной А. С. Стрекаловским, с другой - для реализации одного из ключевых этапов глобального поиска (построения аппроксимации поверхности уровня) используются операторы генетических алгоритмов. После описания гибридного подхода подробно рассказывается об организации и проведении вычислительного эксперимента по сравнению гибридного алгоритма с «базовым» алгоритмом глобального поиска, разработанным ранее. Приведены результаты эксперимента на сериях случайно сгенерированных задач, свидетельствующие об эффективности предложенного гибридного подхода к решению гексаматричных игр.
Бесплатно
Численное решение сингулярно возмущенных краевых задач 4-го порядка
Статья научная
В данной работе рассматривается дифференциальное уравнение 4-го порядка с малым параметром при старшей производной. Предлагается алгоритм решения, основанный на применении специальной неравномерной разностной сетки, при этом оператор дифференциального уравнения аппроксимируется двумя способами: 1) оператор 4-го порядка заменяется на более удобный оператор, который расщепляется на два оператора, т.е. вместо одного уравнения рассматривается система двух уравнений второго порядка; 2) методом интегральных тождеств оператор аппроксимируется на пятиточечном шаблоне. При первом подходе доказаны теоремы о равномерной сходимости на предложенной в работе неравномерной разностной сетке. При втором подходе порядок равномерной сходимости находился численным экспериментом. Решение системы разностных уравнений проводилось немонотонной прогонкой. Описанный численный алгоритм был применен для решения линеаризованной задачи о продольнопоперечном изгибе упругой балки с заделанными концами под действием распределенной нагрузки.
Бесплатно
Численное решение третьей краевой задачи для нелинейного смешанного уравнения теплопроводности
Статья научная
В работе рассматривается математическая модель для смешанного нелинейного уравнения теплопроводности с краевыми условиями третьего рода. Эта ММ моделирует процесс коммутационного отключения электрической дуги в спутном потоке газа с добавлением периода устойчивого горения ее до момента перехода переменного тока через ноль, когда дуга отключается. При этом полученное по обобщенному закону Фурье строго гиперболическое уравнение теплопроводности заменяется гиперболопараболическим. Численный расчет задачи ведется в два этапа по неявной консервативной разностной схеме с учетом переменного коэффициента теплопроводности, нелинейного источника тепла и бокового теплоотвода. На первом квазистационарном этапе рассматривается параболическое уравнение, при котором коэффициент тепловой релаксации равен нулю. Его решение используется для постановки начально-краевой задачи для гиперболического уравнения в момент отключения дуги, где указанный коэффициент становится постоянной величиной, большей нуля. Этот второй этап реализует существенно нестационарный процесс отключения электрической дуги.
Бесплатно
