3 Πρόβλημα δύο σημείων

3.7 Μη ομογενείς συνοριακές συνθήκες

Στη συνέχεια θα τροποποιήσουμε τις ομογενείς συνοριακές συνθήκες Dirichlet του προβλήματος (3.1), ζητώντας τώρα μια συνάρτηση u ∈C2⁢[a,b], τέτοια ώστε

-u′′⁢(x)+q⁢(x)⁢u⁢(x)=f⁢(x),x∈[a,b],με⁢u⁢(a)=a0,u⁢(b)=b0, (3.67)

όπου a,b∈ℝ, a<b, q,f∈C⁢[a,b] και q⁢(x)≥0, για κάθε x∈[a,b] και a0,b0∈ℝ.

Όπως και στις προηγούμενες παραγράφους θεωρούμε έναν φυσικό αριθμό N και μια διαμέριση του διαστήματος [a,b] από N+2 ισαπέχοντα σημεία a=x0<x1<…<xN<xN+1=b, όπου h=xi+1-xi, i=0,…,N. Επειδή το πρόβλημα (3.67) διαφέρει από το (3.1) μόνο ως προς τις συνοριακές συνθήκες, θα κατασκευάσουμε προσεγγίσεις Ui των τιμών u⁢(xi), i=0,…,N+1, όπου θα ικανοποιούν την (3.6) και λόγω των συνοριακών συνθηκών u⁢(x0)=a0, u⁢(xN+1)=b0, θα θέσουμε U0=a0, UN+1=b0.

Επομένως, κατασκευάζουμε προσεγγίσεις Ui των u⁢(xi), i=0,…,N+1, σύμφωνα με τις ακόλουθες εξισώσεις

-Ui+1-2⁢Ui+Ui-1h2+q⁢(xi)⁢Ui =f⁢(xi),i=1,…,N, (3.68)
U0=a0,UN+1 =b0. (3.69)

Συνεπώς, το τοπικό σφάλμα διακριτοποίησης θα ικανοποιεί την (3.3) και θα ισχύει για αυτό το ανάλογο του Λήμματος 3.1.

Έτσι, αν συμβολίσουμε με U∈ℝN το διάνυσμα με συνιστώσες U1,…, UN, U=(U1,…,UN)T, μπορούμε να γράψουμε το σύστημα των εξισώσεων (3.68)-(3.69) ισοδύναμα ως γραμμικό σύστημα (A+h2⁢Q)⁢U=h2⁢F, όπου ο πίνακας A δίνεται όπως στην (3.9), Q είναι ένας διαγώνιος N×N πίνακας με στοιχεία q⁢(xi), i=1,…,N, στη διαγώνιο και F=(f⁢(x1)+U0/h2,f⁢(x2),…,f⁢(xN-1),f⁢(xN)+UN+1/h2)T.

Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας παρόμοια επιχειρήματα όπως στο Θεώρημα 3.2, δείχνουμε τη σύγκλιση της μεθόδου (3.68)–(3.69).

Θεώρημα 3.8.

Έστω Ui, i=0,…,N+1, η λύση του προβλήματος (3.68)–(3.69), και u η λύση του προβλήματος (3.67), με u∈C4⁢[a,b]. Τότε, αν qmin>0, υπάρχει μια σταθερά C, ανεξάρτητη του h, τέτοια ώστε

max0≤i≤N+1⁡|Ui-u⁢(xi)|≤C⁢h2. (3.70)
Απόδειξη.

Θέτουμε Ei=Ui-u⁢(xi), i=0,…,N+1, όπου λόγω των σχέσεων U0=u⁢(a) και UN+1=u⁢(b), έχουμε E0=EN+1=0. Αφαιρούμε τώρα κατά μέλη τις (3.68) και (3.3), οπότε παίρνουμε

Ei+1-(2+q⁢(xi)⁢h2)⁢Ei+Ei-1=h2⁢ηi,i=1,…,N. (3.71)

Συνεχίζουμε όπως στην απόδειξη του Θεωρήματος (3.2) και καταλήγουμε στη ζητούμενη ανισότητα. ∎