Кіріспе
Сандық талдау саласы – бөлшектік дифференциалдық теңдеулерді (БДТ) сандық түрде шешуді зерттейтін сандық талдаудың бір бөлімі. Гиперболалық, параболалық немесе эллиптік БДТ-лер үшін арнайы әдістер қағида бойынша бар.
the academic journal
Numerical methods for partial differential equations is the branch of numerical analysis that studies the numerical solution of partial differential equations (PDEs). In principle, specialized methods for hyperbolic, parabolic or elliptic partial differential equations exist.
Түпкіленген айырма әдісі
Бұл әдісте функциялар белгілі бір тор нүктелеріндегі мәндері арқылы көрсетіледі, ал туындылар осы мәндер арасындағы айырмашылықтар арқылы шамамен есептеледі.
Жолдар әдісі
Сызықтар әдісі (MOL, NMOL, NUMOL) – бір өлшемнен басқа барлық өлшемдері дискреттелген бөлшектік дифференциалдық теңдеулерді (БДТ) шешу әдісі. MOL стандартты, жалпы мақсаттағы әдістер мен бағдарламалық қамтамасты пайдалануға мүмкіндік береді, олар қалыпты дифференциалдық теңдеулерді (ҚДТ) және дифференциалдық алгебралық теңдеулерді (ДАТ) сандық интеграциялау үшін әзірленген. Көптеген жылдар бойы көптеген түрлі бағдарламалау тілдерінде көптеген интеграциялық процедуралар жасалды, ал кейбіреулері ашық кодты ресурстар ретінде жарияланды. Сызықтар әдісі көбінесе бөлшектік дифференциалдық теңдеулер үшін сандық әдістерді құру немесе талдау кезінде кеңістіктік туындыларды дискреттеу арқылы және уақыт айнымалысын үздіксіз қалдыру арқылы қолданылады. Бұл бастапқы шарттардағы қалыпты теңдеулерге сандық әдіс қолданылатын қалыпты дифференциалдық теңдеулер жүйесіне алып келеді. Осы контексте сызықтар әдісі кем дегенде 1960 жылдардың басына дейін жетеді.
Шекті элементтер әдісі
Шекті элементтер әдісі (ШЕМ) – дифференциалдық теңдеулердің шекаралық мәндер есептеріне жуықтап шешім табуға арналған сандық әдіс. Ол қателік функциясын ең аз мәнге дейін келтіру және тұрақты шешім алу үшін вариациялық әдістерді (вариациялар есебін) пайдаланады. Көптеген кішкентай түзу сызықтарды біріктіру үлкен шеңберді шамамен бейнелеуге мүмкіндік беретіндей, ШЕМ көптеген қарапайым элемент теңдеулерін көптеген кіші домендерде, шекті элементтер деп аталатындарда, біріктіріп, үлкен домендегі күрделі теңдеуді жуықтап табуға арналған барлық әдістерді қамтиды.
Градиентті дискреттеу әдісі
Градиентті дискреттеу әдісі (GDM) – бірнеше стандартты немесе жаңа әдістерді қамтитын сандық техника. Ол функцияның және оның градиентінің жеке-жеке жуықтауына негізделген. Негізгі қасиеттері әдістің сызықтық және сызықтық емес проблемалардың тізбегі үшін жақындасуын қамтамасыз етеді, сондықтан GDM шеңберіне кіретін барлық әдістер (келісімді және келісімсіз шекті элементтер, аралас шекті элементтер, миметикалық шекті айырмашылықтар) осы жақындасу қасиеттерін мұраға алады.
Түпкіленген көлем әдісі
Шекті көлем әдісі – алгебралық теңдеулер түріндегі дербес дифференциалдық теңдеулерді көрсету және есептеу әдісі [LeVeque, 2002; Toro, 1999]. Шекті айырма әдісі немесе шекті элемент әдісі сияқты, мәндер тор геометриясындағы дискретті нүктелерде есептеледі. "Шекті көлем" – тордың әрбір түйіндік нүктесін қоршап тұрған кішкентай көлемді білдіреді. Шекті көлем әдісінде, дивергенция мүшесін қамтитын дербес дифференциалдық теңдеудегі көлемдік интегралдар, дивергенция теоремасын пайдалана отырып, беттік интегралдарға түрлендіріледі. Бұл мүшелер содан кейін әр шекті көлемнің бетіндегі ағындар ретінде есептеледі. Белгілі бір көлемге кіретін ағын, оған іргелес көлемнен шығатын ағынмен сәйкес келетіндіктен, бұл әдістер сақтаушы болып табылады. Шекті көлем әдісінің тағы бір артықшылығы – ол құрылымдалмаған торларды қолдануға мүмкіндік беретін қарапайым құрастырылуы. Бұл әдіс көптеген есептеу сұйықтық динамикасы пакеттерінде қолданылады.
Спектрлік әдіс
Спектрлік әдістер – қолданбалы математика және ғылыми есептеулерде белгілі бір дифференциалдық теңдеулерді сандық түрде шешуге қолданылатын техникалар, көбінесе жылдам Фурье түрлендіруін пайдалануды қамтиды. Негізгі идея – дифференциалдық теңдеудің шешімін белгілі бір "негізгі функциялардың" қосындысы түрінде жазу (мысалы, синусоидалардың қосындысы болып табылатын Фурье қатары сияқты) және содан кейін дифференциалдық теңдеуді ең жақсы қанағаттандыратын қосындыдағы коэффициенттерді таңдау. Спектрлік әдістер мен шекті элементтер әдістері тығыз байланысты және бірдей принциптерге негізделген; арасындағы басты айырмашылық – спектрлік әдістер бүкіл доменде нөлдік емес негізгі функцияларды қолданса, шекті элементтер әдістері тек шағын аймақтарда ғана нөлдік емес негізгі функцияларды қолданады. Яғни, спектрлік әдістер жаһандық тәсілді қабылдаса, шекті элементтер әдістері жергілікті тәсілді қолданады. Осы себепті спектрлік әдістердің қателіктері өте жақсы, ал шешім тегіс болған жағдайда "экспоненциалдық конвергенция" деп аталатын ең жоғары жылдамдыққа ие болады. Дегенмен, үш өлшемді бір домендегі спектрлік соққыны анықтау нәтижелері әзірленбеген. Шекті элементтер қауымдастығында элементтердің дәрежесі өте жоғары немесе тор параметрі h нөлге жақындаған сайын артатын әдіс кейде спектрлік элементтер әдісі деп аталады.
Желісіз әдістер
Желісіз әдістер симуляциялық доменнің дерек нүктелерін байланыстыратын желіні қажет етпейді. Желісіз әдістер көбінесе шешу қиын мәселелерді модельдеуге мүмкіндік береді, бірақ бұл үшін қосымша есептеу уақыты мен бағдарламалау жұмысы қажет.
Доменді ыдырау әдістері
Домендік ыдырау әдістері шекаралық мән есебін субдомендердегі кішірек шекаралық мән есептеріне бөліп, жапсарлас субдомендер арасындағы шешімді үйлестіру үшін итерация арқылы шығарады. Субдомендердің әрқайсысы үшін бір немесе бірнеше белгісізі бар жуық есеп, субдомендер арасындағы шешімді жаһандық тұрғыдан үйлестіру үшін қолданылады. Субдомендердегі есептер тәуелсіз, бұл домендік ыдырау әдістерін параллель есептеуге ыңғайлы етеді. Домендік ыдырау әдістері әдетте Крылов кеңістігіндегі итерациялық әдістер үшін, мысалы, конъюгациялық градиент әдісі немесе GMRES үшін алдын ала шарттаушылар ретінде қолданылады. Қабаттасқан домендік ыдырау әдістерінде субдомендер интерфейстен артық қабаттасады. Қабаттасқан домендік ыдырау әдістеріне Шварцтың ауыспалы әдісі және аддитивті Шварц әдісі жатады. Көптеген домендік ыдырау әдістерін абстрактілік аддитивті Шварц әдісінің ерекше жағдайы ретінде жазуға және талдауға болады. Қабаттаспаған әдістерде субдомендер тек интерфейсінде ғана қиылысады. Бастапқы әдістерде, мысалы, Баланстау домендік ыдырау және BDDC, субдомен интерфейсіндегі шешімнің үздістігі барлық көршілес субдомендердегі шешімнің мәнін бірдей белгісізбен көрсету арқылы қамтамасыз етіледі. FETI сияқты екілдік әдістерде субдомен интерфейсіндегі шешімнің үздістігі Лагранж көбейткіштерімен қамтамасыз етіледі. FETI DP әдісі екілдік және бастапқы әдістің гибриді болып табылады. Қабаттаспаған домендік ыдырау әдістері итеративті субструктуралау әдістері деп те аталады. Мортар әдістері – бөлшектік дифференциалдық теңдеулерді дискреттеу әдістері, олар қабаттаспаған субдомендерде жеке дискреттеуді қолданады. Субдомендердегі торлар интерфейсте сәйкес келмейді, ал шешімнің теңдігі шешімнің дәлдігін сақтау үшін сарапты таңдалған Лагранж көбейткіштерімен қамтамасыз етіледі. Инженерлік тәжірибеде, шекті элементтер әдісінде, сәйкес келмейтін субдомендер арасындағы шешімдердің үздістігі көп нүктелік шектеулер арқылы жүзеге асырылады. Орташа көлемдегі модельдердің шекті элементтік симуляциялары миллиондаған белгісізі бар сызықтық жүйелерді шешуді талап етеді. Әрбір уақыт қадамына бірнеше сағат орташа тізбекті есептеу уақыты болып табылады, сондықтан параллель есептеу қажет. Домендік ыдырау әдістері шекті элементтік әдістерді параллельдеудің үлкен әлеуетін қамтиды және үлестірілген, параллель есептеулердің негізін құрайды.
Көп желілі әдістер
Сандық талдаудағы көпторлық (МТ) әдістер – дискреттеулердің иерархиясын қолдана отырып, дифференциалдық теңдеулерді шешуге арналған алгоритмдердің жиынтығы. Олар көп ажыратымдылық әдістері класына жататын техникалардың мысалы болып табылады және көптеген мінез-құлық масштабтарын көрсететін мәселелерде (бірақ олармен шектелмейді) өте пайдалы. Мысалы, көптеген негізгі релаксация әдістері қысқа және ұзын толқынды компоненттер үшін әртүрлі конвергенция жылдамдықтарын көрсетеді, бұл осы әртүрлі масштабтарды көпторлық талдау тәсіліндегідей әртүрлі қарастыру қажеттігін көрсетеді. МТ әдістерін шешуші ретінде де, алдын ала шарттаушы ретінде де қолдануға болады. Көпторлықтың негізгі идеясы – күрделі мәселені шешу арқылы белгілі бір уақыт аралығында жаһандық түзетулер жасау арқылы негізгі итеративтік әдістің конвергенциясын үдету. Бұл принцип дөңгелек және ұсақ торлар арасындағы интерполяцияға ұқсас. Көпторлық әдетте екі немесе одан көп өлшемдегі эллиптикалық дербес дифференциалдық теңдеулерді сандық түрде шешу үшін қолданылады. Көпторлық әдістерді кез келген жалпы дискреттеу техникасымен бірге қолдануға болады. Мысалы, шекті элементтер әдісін көпторлық әдіс ретінде қайта құруға болады. Мұндай жағдайларда көпторлық әдістер қазіргі таңда белгілі ең жылдам шешімдердің бірі болып табылады. Басқа әдістерден айырмашылығы, көпторлық әдістері жалпылама, олар кез келген аймақтар мен шекаралық шарттарды шеше алады. Олар теңдеулердің ажыратылуына немесе теңдеудің басқа да ерекше қасиеттеріне тәуелді емес. Олар сонымен қатар Ламе серпімділік жүйесі немесе Навье-Стокстің теңдеулері сияқты күрделі симметриясыз және сызықтық емес теңдеулер жүйелерінде кеңінен қолданылады.
Салыстыру
Шекті айырмашылық әдісі көбінесе үйренуге және қолдануға ең оңай әдіс деп есептеледі. Шекті элемент және шекті көлем әдістері инженерлік саласында және есептеу сұйықтық динамикасында кеңінен қолданылады, сондай-ақ күрделі геометриядағы есептерді шешуге өте ыңғайлы. Егер шешімдер жеткілікті түрде тегіс болса, спектрлік әдістер әдетте ең жоғары дәлдікке ие болады.