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:
- พิกัดเชิงพื้นที่ : หนึ่งในพิกัดของพื้นที่ทางกายภาพที่กำหนดปัญหาขึ้นมา
- มิติเชิงพื้นที่ของปัญหา : จำนวนในมิติเชิงพื้นที่ กล่าวคือ จำนวนพิกัด เชิงพื้นที่ ของพื้นที่ทางกายภาพที่กำหนดปัญหาขึ้น ค่าทั่วไปคือ,และ.
- เวลา : พิกัดที่ทำหน้าที่เป็นพารามิเตอร์ซึ่งอธิบายวิวัฒนาการของระบบ แตกต่างจากพิกัดเชิงพื้นที่
พิกัดเชิงพื้นที่และเวลาเป็นตัวแปร อิสระที่มีค่าไม่ต่อเนื่อง ซึ่งวางไว้ที่ระยะห่างปกติที่เรียกว่าความยาวช่วง[ 3 ] และขั้นตอนเวลาตามลำดับ โดยใช้ชื่อเหล่านี้ เงื่อนไข CFL จะเชื่อมโยงความยาวของขั้นตอนเวลากับฟังก์ชันของความยาวช่วงของแต่ละพิกัดเชิงพื้นที่และความเร็วสูงสุดที่ข้อมูลสามารถเดินทางในพื้นที่ทางกายภาพได้
โดยทั่วไป เงื่อนไข CFL จะถูกกำหนดไว้สำหรับเงื่อนไขของการประมาณความแตกต่างจำกัดของสมการเชิงอนุพันธ์ย่อย ทั่วไป ที่จำลองปรากฏการณ์การพาความร้อน[ 4 ]
กรณีหนึ่งมิติ
สำหรับกรณีหนึ่งมิติ สมการแบบจำลองเวลาต่อเนื่อง (ซึ่งโดยปกติจะแก้หาค่า)) เป็น:
เงื่อนไขของหลอดไฟ CFL จึงมีรูปแบบดังต่อไปนี้:
ที่ไหน:
- ตัวเลขไร้มิติเรียกว่าหมายเลขCourant
- คือขนาดของความเร็ว (ซึ่งมีมิติเป็นความยาว/เวลา)
- คือช่วงเวลา (ซึ่งมีมิติเป็นเวลา)
- คือช่วงความยาว (ซึ่งมีมิติเป็นความยาว)
มูลค่าของการเปลี่ยนแปลงจะขึ้นอยู่กับวิธีการที่ใช้ในการแก้สมการแบบไม่ต่อเนื่อง โดยเฉพาะอย่างยิ่งขึ้นอยู่กับว่าวิธีการนั้นเป็นแบบชัดแจ้งหรือแบบไม่ชัดแจ้งหากใช้ตัวแก้แบบชัดแจ้ง (แบบก้าวเวลา) โดยทั่วไปแล้วตัวแก้ปัญหาแบบอิมพลิซิต (เมทริกซ์) มักมีความไวต่อความไม่เสถียรเชิงตัวเลขน้อยกว่า ดังนั้นค่าที่มากขึ้นจึงเหมาะสมกว่าอาจทนได้
กรณี สองมิติและกรณีทั่วไปnมิติ
ใน กรณี สองมิติเงื่อนไข CFL จะกลายเป็น
โดยมีความหมายที่ชัดเจนของสัญลักษณ์ที่เกี่ยวข้อง โดยเปรียบเทียบกับกรณีสองมิติ เงื่อนไข CFL ทั่วไปสำหรับกรณีที่มีมิติ - เป็นกรณีต่อไปนี้:
ความยาวของช่วงเวลาไม่จำเป็นต้องเท่ากันสำหรับตัวแปรเชิงพื้นที่แต่ละตัว. " ระดับความเป็นอิสระ " นี้สามารถนำมาใช้เพื่อปรับค่าช่วงเวลาให้เหมาะสมที่สุดสำหรับปัญหาเฉพาะอย่างได้ โดยการเปลี่ยนแปลงค่าของช่วงเวลาต่างๆ เพื่อไม่ให้ช่วงเวลานั้นแคบเกินไป
กรณีที่wเป็นเวกเตอร์
ในกรณีข้างต้นเป็นปริมาณสเกลาร์ รูปแบบเวกเตอร์ของสมการเชิงอนุพันธ์ย่อยไฮเปอร์โบลิกอันดับแรกคือ
ที่ไหนเป็นเวกเตอร์ที่มีมิติใดๆ ก็ได้และดังนั้นจึงเป็นเมทริกซ์ลำดับในกรณีนี้เงื่อนไข CFL คือ[ 5 ]
ที่ไหนคือขนาดของค่าไอเกนที่ใหญ่ที่สุดของเมทริกซ์การขยายไปสู่มิติหลายมิติเป็นไปตามหลักการที่อธิบายไว้ข้างต้น
หมายเหตุ
- ↑ดูเอกสารอ้างอิง Courant, Friedrichs & Lewy 1928นอกจากนี้ยังมีฉบับแปลภาษาอังกฤษ ของ ต้นฉบับ ภาษาเยอรมัน ปี 1928 ด้วย ดูเอกสารอ้างอิง Courant, Friedrichs & Lewy 1956และ Courant, Friedrichs & Lewy 1967
- ↑สถานการณ์นี้มักเกิดขึ้นเมื่อตัวดำเนินการอนุพันธ์ย่อยแบบไฮเปอร์โบลิกถูกประมาณด้วยสมการผลต่างจำกัดจากนั้นจึงแก้สมการนั้นด้วยวิธีการพีชคณิตเชิงเส้นเชิงตัวเลข
- ↑ปริมาณนี้ไม่จำเป็นต้องเท่ากันสำหรับตัวแปรเชิงพื้นที่แต่ละตัว ดังที่แสดงไว้ในส่วน " กรณี สองมิติและ กรณี nมิติ โดยทั่วไป " ของบทความนี้: สามารถเลือกเพื่อผ่อนปรนเงื่อนไขได้บ้าง
- ↑กล่าวคือ นี่คือส่วนที่เป็นไฮเปอร์โบลิกของสมการอนุพันธ์ย่อยที่กำลังวิเคราะห์อยู่
- ↑ RJ LeVeque, "วิธีการเชิงตัวเลขสำหรับกฎการอนุรักษ์, ฉบับที่ 2.", Birkhauser Verlag, 1992
ลิงก์ภายนอก
- Bakhvalov, NS (2001) [1994], "เงื่อนไข Courant–Friedrichs–Lewy" , สารานุกรมคณิตศาสตร์ , EMS Press
- ไวส์สไตน์, เอริค ดับเบิลยู. "เงื่อนไขคูแรนต์-ฟรีดริชส์-เลวี" . แมธเวิลด์ .