Метод Ритца решения вариационных задач
Идею метода Ритца рассмотрим на примере простейшей вариационной задачи
, (1)
. (2)
Будем считать, что вариационная задача (1), (2) имеет решение :
.
Последовательность функций называют минимизирующей, если
. Основная идея метода Ритца заключается в сведении вариационной задачи к задаче на отыскание минимума функции. Пусть имеется семейство функций
, таких, что при любых конечных значениях числовых параметров
каждая функция
принадлежит
. Тогда
и возникает задача нахождения значений
параметров, при которых функция
принимает минимальное значение. Если функция непрерывно дифференцируема по своим аргументам, то можно воспользоваться принципом Ферма и определить искомые значения параметров
из системы уравнений
. (3). В методе Ритца в качестве
-го приближения к решению
вариационной задачи (1), (2) берется функция
.
Семейство функций , называется
-полным на
, если для
,
, такие, что
.
Теорема. Если функция непрерывна в области
и семейство функций
является
-полным на
, то последовательность
, построенная по Ритцу минимизирующая.
Доказательство. Зададимся произвольным положительным числом . В силу непрерывности
, существует
, такое,что
при
.
Поскольку система функций является
-полной на
, то для
, такие, что функция
удовлетворяет неравенствам
при
. Таким образом,
.
Учитывая, что , отсюда имеем
. Так как
произвольно, то окончательно получаем
. Теорема доказана.
Для функционала (4) имеет место
Теорема. Если последовательность является минимизирующей для вариационной задачи (4), (2), то она сходится к решению этой задачи.
Доказательство. Элемент минимизирующей последовательности приближает решение
вариационной задачи с погрешностью
.
Применяя к последнему интегралу неравенство Буняковского, имеем
.
Учитывая, что на
, получаем
Учитывая , получаем окончательную оценку
, из которой следует утверждение теоремы.
Вариационно-разностный вариант метода Рица.
Решение вариационной задачи
(1)
. (2)
методом Ритца заключается в построении минимизир. последовательности . (3) Значения параметров
находятся из системы линейных алгебраических уравнений
, (4) коэффициенты которой вычисляются по формулам
(5)
. (6)
Следовательно, основной объем вычислений при решении вариационной задачи (1), (2) методом Рица приходится на вычисления по формулам (5), (6) и решение системы (4). Уменьшить объем вычислений можно за счет рац. выбора корд. ф-ий. На отрезке построим сетку
. (7) и зададим последовательность координатных функций
и
(8). При таком задании координатных функций для значений минимизир. посл-ти ф-ий (3) во внутр. узлах сетки получаем
След-но, значения парам. имеют смысл приближений
к решению во внутренних узлах сетки и формулы (3) и (4) можно переписать в виде
(3’),
(4’).
Подставим в расчетные формулы (5) и (6) заданные координатные функции (8). Получаем при
,
,
Система (4¢) в данном случае является симметричной и трехдиагональной
,
,
.
58. Построение системы линейных уравнений для определения значений параметров в методе Ритца.
Краевая задача , (1)
(2) эквивалентна вариационной задаче
(3)
. (4)
Сначала зададим семейство функций , которое было бы
-полным на
, а затем построим минимизирующую последовательность
, где значения параметров опр-ся из системы вида
. (5). Выберем последовательность функций
так, чтобы выполнялись следующие условия:
1) ;
2) ;
3) функции линейно независимы;
4) система функций , образованных по правилу
является
- полной на
.
Очевидно, коэффициенты при
можно трактовать, как координаты функции
. Поэтому функции
называют координатными. Имеем
Система (5) в данном случае получается в виде (6)
Систему можно записать в стандартной форме
, где коэффициенты определяются формулами
Теорема. Если на
, то система (6) имеет единственное решение.
Доказательство. Рассмотрим однородную систему, соответствующую (6):
Умножим каждое уравнение системы на соответствующее и просуммируем получившиеся уравнения. В результате получим
В силу положительности отсюда следует
и
. Таким образом,
, поскольку координатные функции линейно независимы. Следовательно, рассматриваемая однородная система имеет только тривиальное решение, ее определитель отличен от нуля и соответствующая неоднородная система имеет единственное решение при любых правых частях уравнений. Теорема доказана.
В качестве координатных функций на практике часто берут функции: 1) или
; 2)
. При этом в обоих случаях для обеспечения выполнения граничных условий берут функцию
. Легко видеть, что система функций
принадлежит множеству
допустимых функций. Доказательство
-полноты на
системы функций с координатными функциями первого вида проведем сначала для случая нулевых граничных условий
. Возьмем
и
. Для
существует многочлен
степени
, такой, что
. Рассмотрим многочлен степени
:
. Он принадлежит множеству
. Для производных на отрезке справедлива оценка
Проведем оценку приближения на отрезке функции многочленом
Обозначим . Отсюда
. Таким образом, многочлен
представляется в виде
. Рассмотрим теперь случай ненулевых граничных условий. Возьмем
и
. Для функции
построим указанным выше способом многочлен
, для которого выполняются неравенства
Таким образом, многочлен и его производная приближают соответственно функцию
и ее производную с погрешностью, не превышающей
.