Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

DEVELOPMENT OF ADAPTIVE METHOD MINIMUM OF AMENDMENTS FOR SOLVING SYSTEM OF GRID EQUATIONS WITH THE OPERATOR OF A SPECIAL FORM

Chistyakov A.E. 1 Sukhinov A.I. 1 Kuznetsova I.Yu. 2 Protsenko S.V. 3 Yakovenko I.V. 3
1 Don State Technical University
2 Institute of Computer Technology and Information Security Southern Federal University
3 Chekhov Taganrog Pedagogical Institute Rostov State University of Economics
In this paper we propose a variant of the iterative method of minimal corrections for solving the linear matrix with complex coefficients arising in the numerical solution of parabolic equations with imaginary coefficient of diffusion transfer (Schrödinger type). The convergence of the proposed method, the estimate of the convergence rate, optimized iteration parameter τ and defined preconditioner for the operator B are proved. Also the algorithm for solving the linear matrix with complex coefficients is described in the article The article is presented the results of computational experiments of propagation of the sound beams of finite amplitude in nonlinear dissipative medium based on described iterative method of minimal corrections for solving the linear matrix.
difference equations
complex operator
iterative methods
1. Savickij O.A., Chistjakova T.A. Matematicheskaja model rasprostranenija ultrazvukovyh puchkov vysokoj intensivnosti // Izvestija JuFU. Tehnicheskie nauki. 2010. no. 6 (107). рр. 168–174.
2. Savickij O.A., Chistjakova T.A. Szhatie i dekompressija impulsov pri vzaimodejstvii s nizkochastotnymi volnami konechnoj amplitudy v zvukovyh puchkah // Izvestija JuFU. Tehnicheskie nauki. 2011. no. 8 (121). рр. 122–128.
3. Savickij O.A., Chistjakova T.A. Chislennoe modelirovanie rasprostranenija zvukovyh puchkov konechnoj amplitudy v nelinejno-dissipativnoj srede // Matematicheskoe modelirovanie. 2014. T. 26, no. 3. рр. 49–64.
4. Samarskij A.A. Teorija raznostnyh shem / A.A. Samarskij. Moskva: Nauka, 1989. 616 р.
5. Suhinov A.I., Ogurcov E.S., Chistjakov A.E. Postroenie modeli izluchatelja jelektromagnitnyh voln linejnoj antennoj reshetkoj iz skoshennyh volnovodov // Izvestija JuFU. Tehnicheskie nauki. 2011. no. 8 (121). рр. 129–139.
6. Suhinov A.I., Chistjakov A.E., Fomenko N.A. Metodika postroenija raznostnyh shem dlja zadachi diffuzii-konvekcii-reakcii, uchityvajushhih stepen zapolnennosti kontrolnyh jacheek // Izvestija JuFU. Tehnicheskie nauki. 2013. no. 4 (141). рр. 87–98.
7. Suhinov A.I., Chistjakov A.E., Shishenja A.V. Ocenka pogreshnosti reshenija uravnenija diffuzii na osnove shem s vesami // Matematicheskoe modelirovanie. 2013. T. 25, no. 11. рр. 53–64.
8. Chistjakova T.A. Issledovanie konechno-raznostnyh shem dlja uravnenija Hohlova-Zabolotskoj-Kuznecova // Izvestija JuFU. Tehnicheskie nauki. 2010. no. 6 (107). рр. 21–30.

При решении ряда прикладных задач, например, задачи теории дифракции акустических и электромагнитных волн, возникает необходимость решения СЛАУ с комплексной матрицей коэффициентов ленточной структуры. При решении одномерных задач в качестве метода решения сеточных уравнений с матрицей ленточного вида используется экономичный метод прогонки. В случае двух и большего числа пространственных измерений существуют варианты метода прогонки, которые не являются экономичными, поэтому разработка итерационного метода решения сеточных уравнений актуальна.

Итерационные методы решения сеточных уравнений

При решении уравнений сеточными методами возникает необходимость решения системы линейных алгебраических уравнений следующего вида:

chist01.wmf, (1)

где chist02.wmf, G – самосопряженный положительно определенный оператор (chist03.wmf), D – диагональный, положительно определенный оператор. Уравнения вида (1) рассматривались ранее [1–3], причем предполагалось, что оператор A имеет вид

chist04.wmf.

Поставим задачу разработки адаптивного метода решения СЛАУ (1) для случая chist05.wmf. Такая постановка связана с тем, что применение адаптивных методов не требует априорной информации об операторе задачи. Для решения системы (1) используем нестационарный двухслойный итерационный процесс:

chist06.wmf, chist07.wmf (2)

где B – положительный самосопряженный оператор, chist08.wmf – итерационный параметр.

Из формулы (2) выразим chist09.wmf:

chist10.wmf. (3)

Обозначим chist11.wmf погрешность решения уравнения на n-м шаге. Уравнение (3) в терминах погрешности zn на n-м шаге для погрешности примет вид

chist12.wmf.

Оптимизация итерационного параметра τ

Для получения оценок скорости сходимости будем использовать Эрмитову норму: chist13.wmf, где chist14.wmf – вектор, комплексно сопряженный вектору z.

Введем обозначение chist15.wmf. Вследствие того, что действительная часть оператора chist16.wmf положительно определена, он не вырожден, из сходимости последовательности vn к нулю следует сходимость последовательности zn к нулю. Запишем норму вектора v на (n + 1)-м итерационном слое:

chist17.wmf

chist18.wmf

chist19.wmf.

Обозначим chist20.wmf вектор поправки (chist21.wmf), тогда последнее равенство примет вид

chist22.wmf.

С учетом равенства chist23.wmf норму вектора погрешности запишем в следующем виде:

chist24.wmf

chist25.wmf

chist26.wmf.

Норма вектора погрешности минимальна в случае, когда

chist27.wmf.

Следовательно,

chist28.wmf. (4)

Выбор оптимального оператора предобуславливателя B

Представим знаменатель (4) в виде

chist29.wmf

chist30.wmfchist31.wmf.

Мнимая часть последнего выражения равна нулю, так как оператор chist32.wmf – кососимметричный. С учетом введенного обозначения последнее выражение примет вид

chist33.wmf.

Подставляя его в формулу (4), получим значение итерационного параметра chist34.wmf:

chist35.wmf. (5)

Оценим скорость сходимости разработанного алгоритма.

chist36.wmf

chist37.wmf.

Заметим, что в силу неравенства Коши-Буняковского

chist38.wmf,

причем равенство достигается при B = D.

chist39.wmf

Минимум полученной оценки достигается при B = D, так как:

chist40.wmf,

где chist41.wmf – максимальное собственное число оператора GD–1. Выражение

chist42.wmf

принимает минимальное нулевое значение при B = D. Таким образом, для обеспечения максимальной скорости сходимости метода в качестве оператора B нужно использовать диагональный оператор D. С учетом этого выражение (5) для chist43.wmf, при котором скорость сходимости максимальна, примет вид

chist44.wmf. (6)

Скорость сходимости метода

Оценка скорости сходимости разработанного алгоритма с учетом равенства B = D имеет вид

chist45.wmf

где chist46.wmf.

Оценим α:

chist47.wmf.

При решении прикладных задач, как правило, chist48.wmf. Норма оператора chist49.wmf зависит от шага дискретизации по временной переменной. В работе [7] показана зависимость погрешности от шага дискретизации по временной переменной для уравнения диффузии, при этом следует следить за выполнением условия монотонности явной схемы.

Алгоритм метода решения сеточных уравнений с матрицей коэффициентов вида A = D + iG

1) Задаем матрицы G, D и вектор f.

2) Задаем начальное приближение решения yn при n = 0, допустимое значение погрешности решения (нормы вектора поправки).

3) Считаем вектор поправки w по формуле chist50.wmf, B = D.

4) Находим векторы chist51.wmf chist51a.wmf, chist52.wmf.

5) Выполняем комплексное сопряжение для векторов chist53.wmf, chist54.wmf.

6) Вычисляем скалярные произведения chist55.wmf и chist56.wmf.

7) Рассчитываем итерационный параметр chist57.wmf по формуле:

chist58.wmf.

8) Находим приближенное решение на следующей итерации chist59.wmf.

9) Если норма вектора поправки больше заданного значения, то наращиваем n и возвращаемся в пункт 3.

10) Конец работы алгоритма.

Пример использования метода для решения задачи бегущей волны

Для описания распространения звуковых пучков в квазиоптическом приближении используют уравнение [1, 2]:

sud54a.wmf (7)

с начальным условием:

chist60a.wmf

и граничными условиями периодичности сигнала [3]:

chist61a.wmf,

chist62a.wmf;

симметричности:

chist63a.wmf;

отсутствия энергии в бесконечно удаленной точке:

chist64a.wmf,

где chist65a.wmf – величина скорости частиц среды, θ – время в сопровождающей системе координат, z – нормированное расстояние, N – параметр уравнения, характеризующий дифракцию волнового пучка, chist66a.wmf поперечный лапласиан.

Решение задачи (7) находится методом гармоник (тригонометрическая интерполяция). Функцию скорости частиц среды можно представить усеченным рядом Фурье, полученным в результате применения тригонометрической интерполяции:

chist67a.wmf, (8)

где ω – частота первой гармоники, m – номер гармоники, N – количество дискретных значений величины скорости частиц среды на период. Так как функции chist68a.wmf для различных j линейно независимы, то получим уравнение

chist69a.wmf.

Для построения решения разностной схемы вводится равномерная сетка:

chist70a.wmf,

где n, j, k – индексы по направлениям z, x, y соответственно; hz, hx, hy – шаги по направлениям z, x, y соответственно; Nz, Nx, Ny – количество узлов сетки по направлениям z, x, y соответственно; lx, ly, lz – размеры расчетной области.

Дискретный аналог оператора диффузионного переноса chist71a.wmf, учитывающий частичную заполненность ячеек в случае граничных условий в форме Неймана, имеет вид

chist72a.wmf,

где qi – коэффициенты, описывающие заполненность контрольных областей [6].

Дискретный аналог задачи распространения звуковых пучков запишем в виде

chist73a.wmf

chist74a.wmf, (9)

где σ – весовой коэффициент схемы [4].

В работе [8] рассмотрена конечно-разностная аппроксимация данного уравнения на основе схем с весами и доказана его устойчивость в случае σ ≥ 0,5. Решение уравнения (7) сеточными методами существенно менее трудозатратно по сравнению с решением исходной волновой задачи [5]. Решение дискретной задачи (9) сводится к решению сеточного уравнения с оператором вида A = D + iG. Рассмотрены гармонические пучки с начальным гауссовским распределением:

chist75a.wmf.

На рисунке представлено решение задачи при следующих параметрах: N = 0,025, lx = 0,5, ly = 0,5, lz = 0; 0,25; 0,5; 1. Показано сечение .

chistjk1.tif

Решения задачи распространения звуковых пучков

Рисунок иллюстрирует, как с ростом z происходит диффузия амплитуды поля в поперечном направлении к оси пучка и трансформация первоначально плоского волнового фронта в квазисферический.

Заключение

В работе предложен вариант метода минимальных поправок в случае комплексной матрицы коэффициентов. Получено выражение для оптимального вида оператора предобуславливателя B. Получена теоретическая оценка скорости сходимости. Рассмотрен пример применения предложенного метода. Показано, что теоретическая оценка скорости сходимости хорошо согласуется с реальной погрешностью решения.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ по проектам № 15-07-08626, №15-07-08408, № 16-3716-37-00129, № 15-01-08619.