Метод Галеркина - Galerkin method

В математике , в области численного анализа , методы Галеркина , названные в честь русского математика Бориса Галеркина , преобразуют непрерывную операторную задачу, такую ​​как дифференциальное уравнение , обычно в слабой формулировке , в дискретную задачу путем применения линейных ограничений, определяемых конечными наборы базисных функций.

Часто, говоря о методе Галеркина, также указывается его название вместе с типичными допущениями и используемыми методами аппроксимации:

Примеры методов Галеркина:

Пример: матричная линейная система

Сначала мы вводим и проиллюстрируем применение метода Галеркина к системе линейных уравнений со следующей симметричной и положительно определенной матрицей

а вектор решения и правые части

Возьмем

то матрица уравнения Галеркина имеет вид

вектор правой части уравнения Галеркина равен

так что мы получаем вектор решения

к уравнению Галеркина , которое мы, наконец, подняли, чтобы определить приближенное решение исходного уравнения как

В этом примере наше исходное гильбертово пространство на самом деле является 3-мерным евклидовым пространством, снабженным стандартным скалярным произведением , наша матрица 3 на 3 определяет билинейную форму , а вектор в правой части определяет ограниченный линейный функционал . Колонны

матрицы образуют ортонормированный базис двумерного подпространства проекции Галеркина. Элементы матрицы Галеркина 2 на 2 равны , а компоненты вектора правой части уравнения Галеркина равны . Наконец, приближенное решение получается из компонентов вектора решения уравнения Галеркина и базиса as .

Линейное уравнение в гильбертовом пространстве

Слабая формулировка линейного уравнения

Введем в рассмотрение метод Галеркина абстрактную задачу, сформулированную в виде слабой формулировки в гильбертовом пространстве , а именно:

найти такое что для всех .

Здесь - билинейная форма (точные требования будут указаны позже) и - ограниченный линейный функционал на .

Понижение размерности Галеркина

Выберите подпространство размерности n и решите предполагаемую задачу:

Найдите такое, что для всех .

Мы называем это уравнением Галеркина . Обратите внимание, что уравнение осталось неизменным, и изменились только пробелы. Сведение проблемы к конечномерному векторному подпространству позволяет нам численно вычислять как конечную линейную комбинацию базисных векторов в .

Галеркин ортогональность

Ключевым свойством подхода Галеркина является то, что ошибка ортогональна выбранным подпространствам. Так как мы можем использовать в качестве тестового вектора в исходном уравнении. Вычитая два, мы получаем соотношение ортогональности Галеркина для ошибки, которая является ошибкой между решением исходной задачи , и решением уравнения Галеркина,

Матричная форма уравнения Галеркина

Поскольку целью метода Галеркина является построение линейной системы уравнений , мы строим ее матричную форму, которую можно использовать для алгоритмического вычисления решения.

Пусть будет основой для . Затем достаточно использовать их по очереди для проверки уравнения Галеркина, т. Е. Найти такое, что

Мы расширяем этот базис и вставляем его в приведенное выше уравнение, чтобы получить

Это предыдущее уравнение на самом деле является линейной системой уравнений , где

Симметрия матрицы

Из-за определения элементов матрицы матрица уравнения Галеркина является симметричной тогда и только тогда, когда билинейная форма симметрична.

Анализ методов Галеркина

Здесь мы ограничимся симметричными билинейными формами , т. Е.

Хотя на самом деле это не ограничение методов Галеркина, применение стандартной теории становится намного проще. Кроме того, в несимметричном случае может потребоваться метод Петрова – Галеркина .

Анализ этих методов проводится в два этапа. Сначала мы покажем, что уравнение Галеркина является корректной задачей в смысле Адамара и поэтому допускает единственное решение. На втором этапе исследуем качество аппроксимации решения Галеркина .

Анализ будет в основном опираться на два свойства билинейной формы , а именно:

  • Ограниченность: для всех трюмов
    для некоторой постоянной
  • Эллиптичность: для всех зацепок
    для некоторой постоянной

По теореме Лакса-Милграма (см. Слабую формулировку ) эти два условия подразумевают корректность исходной задачи в слабой формулировке. Все нормы в следующих разделах будут нормами, для которых выполняются указанные выше неравенства (эти нормы часто называют энергетической нормой).

Корректность уравнения Галеркина.

Поскольку ограниченность и эллиптичность билинейной формы применимы к . Следовательно, корректность проблемы Галеркина фактически унаследована от корректности исходной задачи.

Квази-наилучшее приближение (лемма Сеа)

Ошибка между исходным решением и решением Галеркина допускает оценку

Это означает, что с точностью до константы решение Галеркина так же близко к исходному решению, как и любой другой вектор в . В частности, достаточно будет изучить приближение пространством , полностью забыв о решаемом уравнении.

Доказательство

Поскольку доказательство очень простое и является основным принципом, лежащим в основе всех методов Галеркина, мы включаем его сюда: в силу эллиптичности и ограниченности билинейной формы (неравенства) и ортогональности Галеркина (знак равенства посередине), мы имеем для произвольных :

Деление на и взятие точной нижней грани по всем возможным дает лемму.

Свойство наилучшего приближения Галеркина по энергетической норме

Для простоты изложения в предыдущем разделе мы предположили, что билинейная форма является симметричной и положительно определенной, что подразумевает, что это скалярное произведение, а выражение на самом деле является допустимой векторной нормой, называемой энергетической нормой . При этих предположениях легко дополнительно доказать свойство наилучшего приближения Галеркина по энергетической норме.

Используя a-ортогональность Галеркина и неравенство Коши – Шварца для нормы энергии, получаем

Деление на и взятие точной нижней грани по всем возможным доказывают, что приближение Галеркина является наилучшим приближением в норме энергии в подпространстве , т.е. является не чем иным, как ортогональной относительно скалярного произведения проекцией решения на подпространство .

Метод Галеркина для ступенчатых конструкций

И. Элишаков , М. Амато, А. Марзани, П. А. Арван и Дж. Н. Редди изучали применение метода Галеркина к ступенчатым конструкциям. Они показали, что обобщенная функция, а именно функция единичного шага, дельта-функция Дирака и функция дублета необходимы для получения точных результатов.

История

Такой подход обычно приписывают Борису Галеркину . Метод был объяснен западному читателю, среди прочих, Хенки и Дункан. Его сходимость изучалась Михлиным и Лейпгольцем. Его совпадение с методом Фурье было проиллюстрировано Элишаковым и др. Его эквивалентность методу Ритца для консервативных задач была показана Зингером. Гандер и Ваннер показали, как методы Ритца и Галеркина привели к современному методу конечных элементов. Репин рассказал о столетнем развитии метода. Елисаков, Каплунов и Каплунов показывают, что метод Галеркина не был разработан Ритцем, вопреки утверждениям Тимошенко.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ А. Эрн, Дж. Л. Гермонд, Теория и практика конечных элементов , Springer, 2004, ISBN  0-387-20574-8
  2. ^ «Георгий Иванович Петров (к 100-летию со дня рождения)», Fluid Dynamics, май 2012 г., том 47, выпуск 3, стр. 289-291, DOI 10.1134 / S0015462812030015
  3. ^ С. Бреннер, Р.Л. Скотт, Математическая теория методов конечных элементов , 2-е издание, Springer, 2005, ISBN  0-387-95451-1
  4. ^ PG Ciarlet, Метод конечных элементов для эллиптических задач , Северная Голландия, 1978, ISBN  0-444-85028-7
  5. ^ Y. Саад , Итерационные методы для разреженных линейных систем , 2-е издание, SIAM, 2003, ISBN  0-89871-534-2
  6. ^ Элишаков И., Марко Амато, Пракаш Анкита Арван и Алессандро Марзани, 2021 г. «Строгая реализация метода Галеркина для ступенчатых структур требует обобщенных функций», Journal of Sound and Vibration, Vol. 490, артикул 115708
  7. ^ Элишаков И., Марко Амато и Алессандро Марцани, 2021, «Метод Галеркина пересмотрен и исправлен в проблеме Яворского и Доуэлла», Механические системы и обработка сигналов, Vol. 156, статья 107604
  8. ^ Elishakoff И. и Марко Amato, 2021, «флаттер пучка в сверхзвуковом потоке: усеченный вариант уравнения Тимошенко-эренфестовского достаточно», Международный журнал механики и материалов вдизайна, в прессе.
  9. ^ Marco Amato, Elishakoff И. и JN Reddy, 2021, «флаттер многокомпонентного пучка в сверхзвуковом потоке», AIAA Journal, в прессе.
  10. Галеркин Б.Г., 1915, Стержни и пластины, ряды, встречающиеся в различных вопросах, касающихся упругого равновесия стержней и пластин, Вестник Инженеров и Техников, (Бюллетень инженеров и технологов), т. 19, 897-908 (на русском языке), (английский перевод: 63-18925, Clearinghouse Fed. Sci. Tech. Info, 1963).
  11. ^ "Le destin douloureux de Walther Ritz (1878-1909)", (Жан-Клод Пон, редактор), Cahiers de Vallesia, 24, (2012), ISBN  978-2-9700636-5-0
  12. ^ Генки Г., 1927, Eine Важная Vereinfachung дер Methode фон цур Ritz angennäherten Behandlung фон Variationproblemen, ZAMM: Zeitschrift für Angewandte Mathematik унд Mechanik, Vol. 7, 80-81 (на немецком языке).
  13. ^ Дункан, У. Дж., 1937, Метод Галеркина в механике и дифференциальных уравнениях, Отчеты и меморандумы Комитета по авиационным исследованиям, № 1798.
  14. ^ Дункан, WJ, 1938, Принципы метода Галеркина, Отчет и меморандумы об авиационных исследованиях, № 1894.
  15. ^ С.Г. Михлин, "Вариационные методы в математической физике", Pergamon Press, 1964
  16. ^ Leipholz HHE, 1976, Использование метода Галеркина для проблем с вибрацией, Shock and Vibration Digest, Vol. 8, 3-18
  17. ^ Leipholz HHE, 1967, Über умирают Wahl дер Ansatzfunktionen BEI дер Durchfuchrung де Verfahrens фон ГАЛЕРКИНА, Acta Mech., Vol. 3, 295-317 (на немецком языке).
  18. ^ Leipholz HHE, 1967, Über умирают Befreiung дер Anzatzfunktionen де Ritzschen унд Galerkinschen Verfahrens Фон ден Randbedingungen, Ing. Arch., Vol. 36, 251-261 (на немецком языке).
  19. ^ Leipholz, HHE, 1976, Использование метода Галеркина для проблем с вибрацией, The Shock and Vibration Digest Vol. 8, 3-18, 1976.
  20. ^ Elishakoff И., Ли, LHN, 1986, О Эквивалентность Галеркина и Фурье методов серии для одного класса задач, журнал звука и вибрации, Vol. 109, 174–177.
  21. ^ Elishakoff И., Zingales, М., 2003, Совпадение Бубнова-Галеркина и точное решение в прикладной механики Проблема, Журнал прикладной механики, Vol. 70, 777-779.
  22. ^ Elishakoff И., Zingales М., 2004, Конвергенция Бубнова-ГалеркинаПРИМЕРЕ, АИАА Journal, Vol. 42 (9), 1931-1933.
  23. Сингер Дж., 1962, Об эквивалентности методов Галеркина и Рэлея-Ритца, Журнал Королевского авиационного общества, Vol. 66, No. 621, p.592.
  24. ^ Гандер, MJ, Ваннер, Г., 2012, От Эйлера, Ритца и Галеркина до современных вычислений, SIAM Review, Vol. 54 (4), 627-666.
  25. ^ ] Репин С., 2017, Сто лет метода Галеркина, вычислительных методов и прикладной математики, Том 17 (3), 351-357.
  26. ^ .Elishakoff, I., Julius Kaplunov, Elizabeth Kaplunov, 2020, «Метод Галеркина не был разработан Ритцем, вопреки утверждению Тимошенко», в Нелинейной динамике дискретных и непрерывных систем (А. Абрамян, И. Андрианов и В. Gaiko, eds.), Стр. 63-82, Springer, Berlin.

внешние ссылки