Метод Галеркина - Galerkin method
Дифференциальные уравнения |
---|
Сфера |
Классификация |
Решение |
Люди |
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:
- Метод Ритца-Галеркина (после того, как Вальтер Ритц )правилопредполагает симметричное и положительно определенную билинейную форму в слабой формулировке , где дифференциальное уравнение для физической системы можно сформулироватьпомощью минимизации из в квадратичной функции , представляющей систему энергии и приближенное решение является линейной сочетание заданного набора базисных функций.
- Метод Бубнова – Галеркина (по Ивану Бубнову ) не требует, чтобы билинейная форма была симметричной, и заменяет минимизацию энергии ограничениями ортогональности, определяемыми теми же базисными функциями, которые используются для аппроксимации решения. В операторной формулировке дифференциального уравнения метод Бубнова – Галеркина можно рассматривать как применение ортогональной проекции к оператору.
- Метод Петрова – Галеркина (по Георгию И. Петрову) позволяет использовать базисные функции для ограничений ортогональности (называемых тестовыми базисными функциями ), которые отличаются от базисных функций, используемых для аппроксимации решения. Метод Петрова – Галеркина можно рассматривать как расширение метода Бубнова – Галеркина, в котором применяется проекция, которая не обязательно ортогональна в операторной формулировке дифференциального уравнения .
Примеры методов Галеркина:
- метод Галеркина взвешенных невязок , наиболее распространенный метод расчета глобальной матрицы жесткости в методе конечных элементов ,
- метод граничных элементов для решения интегральных уравнений,
- Методы подпространства Крылова .
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
- ^ А. Эрн, Дж. Л. Гермонд, Теория и практика конечных элементов , Springer, 2004, ISBN 0-387-20574-8
- ^ «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
- ^ С. Бреннер, Р.Л. Скотт, Математическая теория методов конечных элементов , 2-е издание, Springer, 2005, ISBN 0-387-95451-1
- ^ PG Ciarlet, Метод конечных элементов для эллиптических задач , Северная Голландия, 1978, ISBN 0-444-85028-7
- ^ Y. Саад , Итерационные методы для разреженных линейных систем , 2-е издание, SIAM, 2003, ISBN 0-89871-534-2
- ^ 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
- ^ 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
- ^ 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.
- ^ Marco Amato, Elishakoff И. и JN Reddy, 2021, «флаттер многокомпонентного пучка в сверхзвуковом потоке», AIAA Journal, в прессе.
- ↑ 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).
- ^ "Le destin douloureux de Walther Ritz (1878-1909)", (Жан-Клод Пон, редактор), Cahiers de Vallesia, 24, (2012), ISBN 978-2-9700636-5-0
- ^ 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).
- ^ Дункан, У. Дж., 1937, Метод Галеркина в механике и дифференциальных уравнениях, Отчеты и меморандумы Комитета по авиационным исследованиям, № 1798.
- ^ Дункан, WJ, 1938, Принципы метода Галеркина, Отчет и меморандумы об авиационных исследованиях, № 1894.
- ^ С.Г. Михлин, "Вариационные методы в математической физике", Pergamon Press, 1964
- ^ Leipholz HHE, 1976, Использование метода Галеркина для проблем с вибрацией, Shock and Vibration Digest, Vol. 8, 3-18
- ^ Leipholz HHE, 1967, Über умирают Wahl дер Ansatzfunktionen BEI дер Durchfuchrung де Verfahrens фон ГАЛЕРКИНА, Acta Mech., Vol. 3, 295-317 (на немецком языке).
- ^ 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).
- ^ Leipholz, HHE, 1976, Использование метода Галеркина для проблем с вибрацией, The Shock and Vibration Digest Vol. 8, 3-18, 1976.
- ^ Elishakoff И., Ли, LHN, 1986, О Эквивалентность Галеркина и Фурье методов серии для одного класса задач, журнал звука и вибрации, Vol. 109, 174–177.
- ^ Elishakoff И., Zingales, М., 2003, Совпадение Бубнова-Галеркина и точное решение в прикладной механики Проблема, Журнал прикладной механики, Vol. 70, 777-779.
- ^ Elishakoff И., Zingales М., 2004, Конвергенция Бубнова-ГалеркинаПРИМЕРЕ, АИАА Journal, Vol. 42 (9), 1931-1933.
- ↑ Сингер Дж., 1962, Об эквивалентности методов Галеркина и Рэлея-Ритца, Журнал Королевского авиационного общества, Vol. 66, No. 621, p.592.
- ^ Гандер, MJ, Ваннер, Г., 2012, От Эйлера, Ритца и Галеркина до современных вычислений, SIAM Review, Vol. 54 (4), 627-666.
- ^ ] Репин С., 2017, Сто лет метода Галеркина, вычислительных методов и прикладной математики, Том 17 (3), 351-357.
- ^ .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
- "Метод Галеркина" , Математическая энциклопедия , EMS Press , 2001 [1994]
- Метод Галеркина из MathWorld