กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 4 นาที

สภาพของกูแรนต์–ฟรีดริชส์–ลิวี

ใน ทางคณิตศาสตร์ เงื่อนไข การลู่เข้าของ Courant–Friedrichs–Lewy (CFL) เป็นเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการลู่เข้าเมื่อแก้สม การเชิงอนุพันธ์ย่อยบางสมการ (โดยปกติคือ สมการเชิงอนุพันธ์...

สภาพของกูแรนต์–ฟรีดริชส์–ลิวี

ในทางคณิตศาสตร์เงื่อนไขการลู่เข้าของ Courant–Friedrichs–Lewy (CFL) เป็นเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการลู่เข้าเมื่อแก้สมการเชิงอนุพันธ์ย่อยบางสมการ (โดยปกติคือ สมการเชิงอนุพันธ์ ย่อยไฮเปอร์โบลิก ) ด้วยวิธีเชิงตัวเลข เงื่อนไขนี้เกิดขึ้นในการวิเคราะห์เชิงตัวเลขของ แผนการ รวมเวลาแบบชัดเจนเมื่อใช้แผนการเหล่านี้สำหรับการแก้ปัญหาเชิงตัวเลข ผลที่ตามมาคือ ขั้นตอนเวลาต้องน้อยกว่าขอบเขตบนที่กำหนด โดยกำหนดช่วงเชิงพื้นที่คงที่ ในการจำลองคอมพิวเตอร์แบบก้าวเวลาแบบชัดเจน หลายๆ ครั้ง มิฉะนั้น การจำลองจะให้ผลลัพธ์ที่ไม่ถูกต้องหรือไม่เสถียรเงื่อนไขนี้ตั้งชื่อตามRichard Courant , Kurt FriedrichsและHans Lewyซึ่งได้อธิบายไว้ในบทความปี 1928 ของพวกเขา[ 1 ]

คำอธิบายเชิงฮิวริสติก

หลักการเบื้องหลังเงื่อนไขนี้คือ ตัวอย่างเช่น หากคลื่นเคลื่อนที่ผ่านตารางเชิงพื้นที่แบบไม่ต่อเนื่อง และเราต้องการคำนวณแอมพลิจูด ของคลื่น ที่ขั้นตอนเวลาแบบไม่ต่อเนื่องที่มีระยะเวลาเท่ากัน[ 2 ]ระยะเวลานี้จะต้องน้อยกว่าเวลาที่คลื่นเดินทางไปยังจุดตารางที่อยู่ติดกัน ผลที่ตามมาคือ เมื่อระยะห่างระหว่างจุดตารางลดลง ขีดจำกัดบนของขั้นตอนเวลาก็จะลดลงด้วย โดยพื้นฐานแล้ว โดเมนเชิงตัวเลขของการพึ่งพาของจุดใดๆ ในอวกาศและเวลา (ตามที่กำหนดโดยเงื่อนไขเริ่มต้นและพารามิเตอร์ของแผนการประมาณค่า) จะต้องรวมถึงโดเมนเชิงวิเคราะห์ของการพึ่งพา (ซึ่งเงื่อนไขเริ่มต้นมีผลต่อค่าที่แน่นอนของคำตอบ ณ จุดนั้น) เพื่อให้แน่ใจว่าแผนการสามารถเข้าถึงข้อมูลที่จำเป็นในการสร้างคำตอบได้

คำแถลง

เพื่อให้สามารถระบุเงื่อนไขได้อย่างถูกต้องและเป็นทางการ จำเป็นต้องกำหนดปริมาณต่อไปนี้:

พิกัดเชิงพื้นที่และเวลาเป็นตัวแปร อิสระที่มีค่าไม่ต่อเนื่อง ซึ่งวางไว้ที่ระยะห่างปกติที่เรียกว่าความยาวช่วง[ 3 ] และขั้นตอนเวลาตามลำดับ โดยใช้ชื่อเหล่านี้ เงื่อนไข CFL จะเชื่อมโยงความยาวของขั้นตอนเวลากับฟังก์ชันของความยาวช่วงของแต่ละพิกัดเชิงพื้นที่และความเร็วสูงสุดที่ข้อมูลสามารถเดินทางในพื้นที่ทางกายภาพได้

โดยทั่วไป เงื่อนไข CFL จะถูกกำหนดไว้สำหรับเงื่อนไขของการประมาณความแตกต่างจำกัดของสมการเชิงอนุพันธ์ย่อย ทั่วไป ที่จำลองปรากฏการณ์การพาความร้อน[ 4 ]

กรณีหนึ่งมิติ

สำหรับกรณีหนึ่งมิติ สมการแบบจำลองเวลาต่อเนื่อง (ซึ่งโดยปกติจะแก้หาค่า){\displaystyle w}) เป็น:

ที+คุณx=0.{\displaystyle {\frac {\partial w}{\partial t}}+u{\frac {\partial w}{\partial x}}=0.}

เงื่อนไขของหลอดไฟ CFL จึงมีรูปแบบดังต่อไปนี้:

ซี=คุณΔทีΔxซีสูงสุด{\displaystyle C={\frac {u\,\Delta t}{\Delta x}}\leq C_{\max }}

ที่ไหน:

  • ตัวเลขไร้มิติซี{\displaystyle C}เรียกว่าหมายเลขCourant
  • คุณ{\displaystyle u}คือขนาดของความเร็ว (ซึ่งมีมิติเป็นความยาว/เวลา)
  • Δที{\displaystyle \Delta t}คือช่วงเวลา (ซึ่งมีมิติเป็นเวลา)
  • Δx{\displaystyle \Delta x}คือช่วงความยาว (ซึ่งมีมิติเป็นความยาว)

มูลค่าของซีสูงสุด{\displaystyle C_{\max }}การเปลี่ยนแปลงจะขึ้นอยู่กับวิธีการที่ใช้ในการแก้สมการแบบไม่ต่อเนื่อง โดยเฉพาะอย่างยิ่งขึ้นอยู่กับว่าวิธีการนั้นเป็นแบบชัดแจ้งหรือแบบไม่ชัดแจ้งหากใช้ตัวแก้แบบชัดแจ้ง (แบบก้าวเวลา) โดยทั่วไปแล้วซีสูงสุด=1{\displaystyle C_{\max }=1}ตัวแก้ปัญหาแบบอิมพลิซิต (เมทริกซ์) มักมีความไวต่อความไม่เสถียรเชิงตัวเลขน้อยกว่า ดังนั้นค่าที่มากขึ้นจึงเหมาะสมกว่าซีสูงสุด{\displaystyle C_{\max }}อาจทนได้

กรณี สองมิติและกรณีทั่วไปnมิติ

ใน กรณี สองมิติเงื่อนไข CFL จะกลายเป็น

ซี=คุณxΔทีΔx+คุณyΔทีΔyซีสูงสุด{\displaystyle C={\frac {u_{x}\,\Delta t}{\Delta x}}+{\frac {u_{y}\,\Delta t}{\Delta y}}\leq C_{\max }}

โดยมีความหมายที่ชัดเจนของสัญลักษณ์ที่เกี่ยวข้อง โดยเปรียบเทียบกับกรณีสองมิติ เงื่อนไข CFL ทั่วไปสำหรับn{\displaystyle n}กรณีที่มีมิติ - เป็นกรณีต่อไปนี้:

ซี=Δที(ฉัน=1nคุณฉันΔxฉัน)ซีสูงสุด.{\displaystyle C=\Delta t\left(\sum _{i=1}^{n}{\frac {u_{i}}{\Delta x_{i}}}\right)\leq C_{\max }.}

ความยาวของช่วงเวลาไม่จำเป็นต้องเท่ากันสำหรับตัวแปรเชิงพื้นที่แต่ละตัวΔxฉัน,ฉัน=1,,n{\displaystyle \Delta x_{i},i=1,\ldots ,n}. " ระดับความเป็นอิสระ " นี้สามารถนำมาใช้เพื่อปรับค่าช่วงเวลาให้เหมาะสมที่สุดสำหรับปัญหาเฉพาะอย่างได้ โดยการเปลี่ยนแปลงค่าของช่วงเวลาต่างๆ เพื่อไม่ให้ช่วงเวลานั้นแคบเกินไป

กรณีที่wเป็นเวกเตอร์

ในกรณีข้างต้น{\displaystyle w}เป็นปริมาณสเกลาร์ รูปแบบเวกเตอร์ของสมการเชิงอนุพันธ์ย่อยไฮเปอร์โบลิกอันดับแรกคือ

ที+เอ_x=0.{\displaystyle {\frac {\partial {\bf {w}}}{\partial t}}+{\bf {\underline {A}}}{\frac {\partial {\bf {w}}}{\partial x}}=0.}

ที่ไหนอาร์เอ็น{\displaystyle {\bf {w}}\in \mathbb {R} ^{N}}เป็นเวกเตอร์ที่มีมิติใดๆ ก็ได้เอ็น{\displaystyle N}และเอ_อาร์เอ็น×อาร์เอ็น{\displaystyle {\bf {\underline {A}}}\in \mathbb {R} ^{N}\times \mathbb {R} ^{N}}ดังนั้นจึงเป็นเมทริกซ์ลำดับเอ็น{\displaystyle N}ในกรณีนี้เงื่อนไข CFL คือ[ 5 ]

ΔทีΔx1|λ|สูงสุดซีสูงสุด{\displaystyle {\frac {\Delta t}{\Delta x}}\leq {\frac {1}{|\lambda |_{\max }}}C_{\max }}

ที่ไหน|λ|สูงสุด{\displaystyle |\lambda |_{\max }}คือขนาดของค่าไอเกนที่ใหญ่ที่สุดของเมทริกซ์เอ_{\displaystyle {\bf {\underline {A}}}}การขยายไปสู่มิติหลายมิติเป็นไปตามหลักการที่อธิบายไว้ข้างต้น

หมายเหตุ

  1. ดูเอกสารอ้างอิง Courant, Friedrichs & Lewy 1928นอกจากนี้ยังมีฉบับแปลภาษาอังกฤษ ของ ต้นฉบับ ภาษาเยอรมัน ปี 1928 ด้วย ดูเอกสารอ้างอิง Courant, Friedrichs & Lewy 1956และ Courant, Friedrichs & Lewy 1967
  2. สถานการณ์นี้มักเกิดขึ้นเมื่อตัวดำเนินการอนุพันธ์ย่อยแบบไฮเปอร์โบลิกถูกประมาณด้วยสมการผลต่างจำกัดจากนั้นจึงแก้สมการนั้นด้วยวิธีการพีชคณิตเชิงเส้นเชิงตัวเลข
  3. ปริมาณนี้ไม่จำเป็นต้องเท่ากันสำหรับตัวแปรเชิงพื้นที่แต่ละตัว ดังที่แสดงไว้ในส่วน " กรณี สองมิติและ กรณี nมิติ โดยทั่วไป " ของบทความนี้: สามารถเลือกเพื่อผ่อนปรนเงื่อนไขได้บ้าง
  4. กล่าวคือ นี่คือส่วนที่เป็นไฮเปอร์โบลิกของสมการอนุพันธ์ย่อยที่กำลังวิเคราะห์อยู่
  5. RJ LeVeque, "วิธีการเชิงตัวเลขสำหรับกฎการอนุรักษ์, ฉบับที่ 2.", Birkhauser Verlag, 1992

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ สภาพของกูแรนต์–ฟรีดริชส์–ลิวี

ใน ทางคณิตศาสตร์ เงื่อนไข การลู่เข้าของ Courant–Friedrichs–Lewy (CFL) เป็นเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการลู่เข้าเมื่อแก้สม การเชิงอนุพันธ์ย่อยบางสมการ (โดยปกติคือ สมการเชิงอนุพันธ์...

คำอธิบายเชิงฮิวริสติก

หลักการเบื้องหลังเงื่อนไขนี้คือ ตัวอย่างเช่น หากคลื่นเคลื่อนที่ผ่านตารางเชิงพื้นที่แบบไม่ต่อเนื่อง และเราต้องการคำนวณ แอมพลิจูด ของคลื่น ที่ขั้นตอนเวลาแบบไม่ต่อเนื่องที่มีระยะเวลาเท่ากัน [ 2 ]...

คำแถลง

เพื่อให้สามารถระบุเงื่อนไขได้อย่างถูกต้องและเป็นทางการ จำเป็นต้องกำหนดปริมาณต่อไปนี้:

กรณีหนึ่งมิติ

สำหรับกรณีหนึ่งมิติ สมการแบบจำลองเวลาต่อเนื่อง (ซึ่งโดยปกติจะแก้หาค่า) ว {\displaystyle w} ) เป็น: