6 Εξίσωση θερμότητας: Πεπερασμένα στοιχεία

6.4 Άμεση μέθοδος του Euler

Στη συνέχεια, θα χρησιμοποιήσουμε την άμεση μέθοδο του Euler για τη διακριτοποίηση ως προς τον χρόνο της (6.4). Θέτουμε και πάλι k=T/M και tj=j⁢k, j=0,…,M, μια διαμέριση του [0,T].

Θεωρούμε λοιπόν τις προσεγγίσεις Un∈Vh, n=1,…,M, τέτοιες ώστε

(Un-Un-1k,χ)+((Un-1)′,χ′)=0,∀χ∈Vh,U0=gh, (6.38)

όπου gh∈Vh μια προσέγγιση της g. Η (6.38) γράφεται τώρα ως

(Un,χ)=(Un-1,χ)-k⁢((Un-1)′,χ′),∀χ∈Vh,U0=gh. (6.39)

Με όμοιο τρόπο όπως και προηγουμένως η (6.39) είναι ισοδύναμη με ένα γραμμικό σύστημα της μορφής

ℳ⁢αn=(ℳ-k⁢𝒮)⁢αn-1,

όπου ℳ και 𝒮 είναι οι πίνακες της (6.6) και αj διανύσματα με συνιστώσες αj=(α1j,…,αNj)T, j=0,…,N. Επειδή ο πίνακας ℳ είναι αντιστέψιμος, έχουμε

αn=ℳ-1⁢(ℳ-k⁢𝒮)⁢αn-1. (6.40)

Συνεπώς, επειδή γνωρίζουμε το διάνυσμα α0, χρησιμοποιώντας την (6.40), μπορούμε να προσδιορίσουμε αναδρομικά τα αn και κατ’επέκταση την προσέγγιση Un της u⁢(⋅,tn).

Σε αυτό το σημείο και για να δείξουμε την ευστάθεια της μεθόδου (6.38), θα χρειαστεί να υποθέσουμε την ακόλουθη σχέση την οποία πρέπει να πληρούν οι συναρτήσεις του χώρου Vh. Υποθέτουμε λοιπόν ότι υπάρχει σταθερά C1 ανεξάρτητη του h, τέτοια ώστε

∥χ′∥≤C1⁢h-1⁢∥χ∥,∀χ∈Vh. (6.41)

Η ανισότητα (6.41) καλείται αντίστροφη ανισότητα. Στην περίπτωση που Vh είναι οι συνεχείς κατά τμήματα γραμμικές συναρτήσεις σε έναν ομοιόμορφο διαμερισμό, τότε ικανοποιείται η (6.41), βλ. Άσκηση 6.3.

Στη συνέχεια, θα δείξουμε την ευστάθεια της μεθόδου (6.38).

Θεώρημα 6.7.

Έστω ότι οι Un∈Vh, n=0,…,M, ικανοποιούν τη (6.38) και ότι ο Vh ικανοποιεί τη (6.41). Τότε, αν kh2≤2C12, όπου C1 είναι η σταθερά στην (6.41), έχουμε

max0≤n≤M⁡∥Un∥≤∥U0∥. (6.42)
Απόδειξη.

Επιλέγουμε χ=Un-1 στην (6.38), οπότε

(Un,Un-1)-∥Un-1∥2+k⁢∥(Un-1)′∥=0. (6.43)

Επίσης, εύκολα μπορούμε να δούμε ότι

2⁢(Un,Un-1)=∥Un∥2+∥Un-1∥2-∥Un-Un-1∥2.

Επομένως, η (6.43) γίνεται

12⁢(∥Un∥2-∥Un-1∥2-∥Un-Un-1∥2)+k⁢∥(Un-1)′∥=0. (6.44)

Επίσης, αν επιλέξουμε χ=Un-Un-1 στην (6.38), έχουμε

∥Un-Un-1∥2-k⁢((Un-1)′,(Un)′-(Un-1)′)=0. (6.45)

Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας την ανισότητα Cauchy–Schwarz και την (6.41), η (6.45) δίνει

∥Un-Un-1∥2 ≤k⁢∥(Un-1)′∥⁢∥(Un)′-(Un-1)′∥
≤C1⁢kh⁢∥(Un-1)′∥⁢∥Un-Un-1∥.

Επομένως, λαμβάνουμε

∥Un-Un-1∥≤C1⁢kh⁢∥(Un-1)′∥. (6.46)

Αν χρησιμοποιήσουμε τώρα την (6.46) στην (6.44), παίρνουμε

∥Un∥2-∥Un-1∥2≤(C12⁢kh2-2)⁢k⁢∥(Un-1)′∥. (6.47)

Συνεπώς, λόγω της υπόθεσης C12⁢kh2-2≤0, η (6.47) δίνει τη ζητούμενη σχέση (6.42). ∎

Θεώρημα 6.8.

Έστω u∈C2⁢([0,L]×[0,T]) η λύση της (6.1) με g∈C2⁢[0,L] και Un∈Vh, n=0,…,M, ικανοποιούν την (6.38) με U0=Rh⁢g και ο Vh την (6.41). Τότε, αν kh2≤2C12, όπου C1 είναι η σταθερά στην (6.41), έχουμε ότι υπάρχει σταθερά C, ανεξάρτητη των k και h, τέτοια ώστε

max0≤n≤M⁡∥Un-u⁢(⋅,tn)∥≤C⁢(k+h2). (6.48)
Απόδειξη.

Γράφουμε και πάλι Un-u⁢(⋅,tn)=ϑn+ρn με ρn=W⁢(⋅,tn)-u⁢(⋅,tn) και ϑn=Un-W⁢(⋅,tn). Όπως και προηγουμένως, λόγω της (6.25), αρκεί να εκτιμήσουμε την ∥ϑn∥. Μπορούμε να δούμε ότι το ϑn ικανοποιεί την ακόλουθη σχέση

(ϑn-ϑn-1k,χ)+((ϑn-1)′,χ′)=-(ωn,χ),∀χ∈Vh, (6.49)

όπου ωn=ω1n+ω2n και

ω1n=ρn-ρn-1k,ω2n=un-un-1k-utn-1.

Παρόμοια, όπως και στο Θεώρημα 6.4, έχουμε

(ϑn-ϑn-1k,χ)+((ϑn-1)′,χ′)
 =-(Rh⁢un-Rh⁢un-1k,χ)-((Rh⁢un-1)′,χ′)
 =-(ρn-ρn-1k,χ)-(un-un-1k,χ)-((un-1)x,χ′)
 =-(ρn-ρn-1k,χ)-(un-un-1k,χ)+(utn-1,χ)
 =-(ω1n+ω2n,χ),

Από την (6.27) έχουμε ότι ∥ω1n∥≤C⁢h2. Επίσης, λόγω του αναπτύγματος Taylor, παίρνουμε

∥ω2n∥=∥un-un-1k-utn-1∥=k-1⁢∥∫tn-1tn(t-tn)⁢ut⁢t⁢(⋅,t)⁢d⁢t∥.

Συνεπώς, λαμβάνουμε

∥ω2n∥≤C⁢k. (6.50)

Άρα, συνδυάζοντας τις (6.27) και (6.50), έχουμε

∥ωn∥≤C⁢(k+h2),n=1,…,M. (6.51)

Στη συνέχεια, θα ακολουθήσουμε τα βήματα της απόδειξης του Θεωρήματος 6.7. Επομένως, επιλέγουμε χ=ϑn-1 στην (6.49) και λαμβάνουμε

(ϑn,ϑn-1)-∥ϑn-1∥2+k⁢∥(ϑn-1)′∥2=-k⁢(ωn,ϑn-1)≤k⁢∥ωn∥⁢∥ϑn-1∥. (6.52)

Επειδή

2⁢(ϑn,ϑn-1)=∥ϑn∥2+∥ϑn-1∥2-∥ϑn-ϑn-1∥2.

η (6.52) γίνεται

12⁢(∥ϑn∥2-∥ϑn-1∥2-∥ϑn-ϑn-1∥2)+k⁢∥(ϑn-1)′∥2≤k⁢∥ωn∥⁢∥ϑn-1∥. (6.53)

Στη συνέχεια, επιλέγοντας χ=ϑn-ϑn-1 στην (6.49), έχουμε

∥ϑn-ϑn-1∥2-k⁢((ϑn-1)′,(ϑn)′-(ϑn-1)′)=-k⁢(ωn,ϑn-ϑn-1). (6.54)

Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας την ανισότητα Cauchy–Schwarz και την (6.41), η (6.54) δίνει

∥ϑn-ϑn-1∥2 ≤k⁢∥(ϑn-1)′∥⁢∥(ϑn)′-(ϑn-1)′∥+k⁢∥ωn∥⁢∥ϑn-ϑn-1∥
≤C1⁢kh⁢∥(ϑn-1)′∥⁢∥ϑn-ϑn-1∥+k⁢∥ωn∥⁢∥ϑn-ϑn-1∥.

Επομένως, λαμβάνουμε

∥ϑn-ϑn-1∥≤C1⁢kh⁢∥(ϑn-1)′∥+k⁢∥ωn∥.

Στη συνέχεια, υψώνοντας στο τετράγωνο και τα δύο μέλη της προηγούμενης ανισότητας παίρνουμε

∥ϑn-ϑn-1∥2≤C12⁢k2h2⁢∥(ϑn-1)′∥2+k2⁢∥ωn∥2+2⁢C1⁢k2h⁢∥(ϑn-1)′∥⁢∥ωn∥. (6.55)

Χρησιμοποιώντας τώρα την (6.55) στην (6.53) παίρνουμε

∥ϑn∥2-∥ϑn-1∥2≤(C12⁢kh2-2)⁢k⁢∥(ϑn-1)′∥2+k2⁢∥ωn∥2+2⁢C1⁢k2h⁢∥(ϑn-1)′∥⁢∥ωn∥+2⁢k⁢∥ωn∥⁢∥ϑn-1∥.

Στη συνέχεια, λόγω της υπόθεσης C12⁢kh2-2≤0, παίρνουμε

∥ϑn∥2-∥ϑn-1∥2≤k2⁢∥ωn∥2+2⁢C1⁢k2h⁢∥(ϑn-1)′∥⁢∥ωn∥+2⁢k⁢∥ωn∥⁢∥ϑn-1∥. (6.56)

Εύκολα μπορούμε να δούμε ότι για κάθε ϵ>0 ισχύει η ανισότητα 2⁢a⁢b≤(ϵ⁢a)2+(1/ϵ)⁢b2 με a,b∈ℝ. Έτσι, επειδή k≤1, υπάρχουν σταθερές c και C, τέτοιες ώστε από την (6.56) έχουμε

∥ϑn∥2≤(1+c⁢k)⁢∥ϑn-1∥2+C⁢k⁢∥ωn∥2. (6.57)

Αν θέσουμε ω¯=max0≤n≤M⁡∥ωn∥, από την (6.57) προκύπτει τώρα

∥ϑn∥2 ≤(1+c⁢k)n⁢∥ϑ0∥2+C⁢k⁢∑j=0n-1(1+c⁢k)j⁢∥ωn∥2
≤ec⁢k⁢n⁢∥ϑ0∥2+C⁢k⁢ω¯2⁢∑j=0M-1ec⁢k⁢j
≤ec⁢k⁢n⁢∥ϑ0∥2+C⁢k⁢ω¯2⁢ec⁢k⁢M-1ec⁢k-1
≤ec⁢T⁢∥ϑ0∥2+Cc⁢ω¯2.

Συνεπώς, λόγω της (6.51) έχουμε

∥ϑn∥2≤C⁢∥ϑ0∥2+C⁢(k+h2)2.

Επομένως, λόγω της (6.25) και του γεγονότος ότι ϑ⁢(0)=0, έχουμε ότι ισχύει η επιθυμητή σχέση (6.48). ∎