Luận văn Một phương pháp không cổ điển giải số phương trình vi phân bậc nhất và bậc hai

LỜI NÓI ĐẦU Phương trình vi phân là mô hình mô tả khá tốt các quá trình chuyển động trong tự nhiên và kĩ thuật. Để nghiên cứu phương trình vi phân, người ta thường tiếp cận theo hai hướng: nghiên cứu định tính và giải số. Mặc dù đã có lịch sử phát triển hàng trăm năm, do còn nhiều bài toán cần giải quyết, giải số phương trình vi phân thường vẫn thu hút sự quan tâm mạnh mẽ của các nhà toán học và các nhà nghiên cứu ứng dụng. Trong giải số phương trình vi phân, người ta thường cố gắng tìm ra những phương pháp hữu hiệu bảo đảm sự hội tụ, tính ổn định và tính chính xác cao. Để làm được điều này, người ta thường tổ hợp các phương pháp đa bước để nhận được các phương pháp mới có bậc hội tụ, tính ổn định và cấp chính xác cao hơn. Phương pháp không cổ điển giải số phương trình vi phân thường bậc nhất và bậc hai do M. V. Bulatov (và Berghe) đề xuất trong vòng năm năm trở lại đây nằm trong hướng này. Luận văn Về một phương pháp không cổ điển giải số phương trình vi phân bậc nhất và bậc hai có mục đích trình bày các phương pháp của Bulatov và Berghe theo các tài liệu [4] (2009) và [9]-[11] (2003-2008). Luận văn gồm ba Chương. Chương 1 trình bày một số khái niệm và phương pháp cơ bản giải số phương trình vi phân. Trong mục 1.2 của Chương, chúng tôi trình bày các phương pháp số cổ điển theo một quan điểm nhất quán là xuất phát từ Quy tắc cầu phương cơ bản. Chương 2 trình bày phương pháp không cổ điển (do Bulatov đề xuất vào những năm 2003-2008) giải số hệ phương trình vi phân bậc nhất, phi tuyến và tuyến tính, theo các tài liệu [9]-[11]. Chương 3 trình bày phương pháp không cổ điển giải số hệ phương trình vi phân bậc hai, tuyến tính và phi tuyến, theo bài báo của M. V. Bulatov và G. V. Berghe ([4], 2009). Thông qua việc tính toán đạo hàm, phân tích các hàm nhiều biến vào chuỗi Taylor và các phép biến đổi chi tiết, chúng tôi cố gắng trình bày các kết quả của M. V. Bulatov và G. V. Berghe một cách rõ ràng và chi tiết nhất. Để minh họa và kiểm chứng lý thuyết, chúng tôi đã lập trình trên MATLAB và tính toán trên máy các ví dụ của M. V. Bulatov và G. V. Berghe. Luận văn được hoàn thành dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS-TS Tạ Duy Phượng (Viện Toán học). Xin được tỏ lòng cám ơn chân thành nhất tới Thầy. Tác giả xin tỏ lòng cám ơn Ban Chủ nhiệm , các Thày Cô và các cán bộ khoa Toán- Cơ – Tin học, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã nhiệt tình giảng dạy và giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học Cao học. Tác giả xin chân thành cám ơn Ban Lãnh đạo và các cán bộ, giáo viên Học viện Quân y đã tạo mọi điều kiện để tác giả hoàn thành tốt khóa học Cao học. Và cuối cùng, xin được cám ơn Gia đình, bạn bè đã thông cảm, sẻ chia, hy sinh và tạo mọi điều kiện cho tác giả trong suốt thời gian học Cao học và viết luận văn. Hà Nội, ngày 30 tháng 11 năm 2009 Tác giả Vũ Thị Thanh Bình CHƯƠNG 1 Kiến thức chuẩn bị Trong Chương 1 chúng tôi nhắc lại những khái niệm cơ bản nhất của giải số phương trình vi phân nhằm thuận tiện cho trình bày ở các mục sau. 1.1. Bài toán Cauchy giải hệ phương trình vi phân Xét bài toán Cauchy tìm nghiệm của hệ phương trình

(1.1) thỏa mãn điều kiện ban đầu
, (1.2) trong đó
là các hàm vectơ
- chiều, hàm
xác định trên hình hộp vô hạn
.
Ở đây ta hiểu nghiệm theo nghĩa cổ điển và địa phương, tức là nghiệm của (1.1)-(1.2) là một hàm khả vi
trên
,
sao cho
trên
và
. Cùng với bài toán (1.1), ta cũng xét trường hợp hàm
là tuyến tính, tức là
, trong đó
là ma trận cấp
, còn
là vectơ
-chiều, tức là hệ tuyến tính
. (1.3) Ta luôn giả thiết rằng các phần tử của ma trận
, của các vectơ
,
là đủ trơn (có đạo hàm đến cấp cần thiết trong tính toán). Khi ấy theo định lí Picard-Lindelöf, hệ (1.1)-(1.2) có duy nhất nghiệm
trên toàn đoạn
(nghiệm có thể kéo dài được trên toàn bộ khoảng xác định, hay tồn tại nghiệm toàn cục, xem [8], trang 467). Lưu ý này là quan trọng trong giải số hệ phương trình (1.1)-(1.2). 1.2. Giải số bài toán Cauchy Để chứng minh định lý về sự tồn tại và duy nhất nghiệm của hệ phương trình vi phân (1.1)-(1.2), ta có thể xây dựng dãy nghiệm xấp xỉ hội tụ tới nghiệm của bài toán (1.1)-(1.2) trên khoảng tồn tại nghiệm. Có hai phương pháp xây dựng dãy nghiệm xấp xỉ: phương pháp giải tích và phương pháp số kết quả được cho dưới dạng bảng, như phương pháp Euler, phương pháp Runge-Kutta, phương pháp đa bước,... Dưới đây trình bày cách xây dựng các công thức Euler, Runge-Kutta,... xuất phát từ qui tắc cầu phương cơ bản (xem, thí dụ, [2]). 1.2.1. Quy tắc cầu phương cơ bản và giải số phương trình vi phân Quy tắc cầu phương cơ bản (basic quadrature rules) có thể được coi là phương pháp quan trọng để tính tích phân. Vì giải phương trình vi phân thường (1.1) với điều kiện ban đầu (1.2) tương đương với việc giải phương trình tích phân
(1.4) nên ta cũng có thể sử dụng quy tắc cầu phương cơ bản trong việc giải số phương trình vi phân. Trong mục này ta sẽ chỉ ra rằng, nhiều công thức sai phân cổ điển giải số phương trình vi phân có thể suy ra từ quy tắc cầu phương cơ bản. Trước tiên ta nhắc lại quy tắc cầu phương cơ bản (xem, thí dụ, [1]). Nội dung cơ bản của quy tắc cầu phương là: để tính tích phân
ta thay
bởi một đa thức nội suy (interpolating polynomial). Tích phân của hàm
được xấp xỉ bởi tích phân của hàm đa thức (tính được chính xác). Giả sử ta có
điểm nội suy khác nhau
trong khoảng
. Đa thức nội suy Lagrange bậc nhỏ hơn
có dạng (xem [1]):
, trong đó
. Khi ấy
. Các trọng số
được tính theo công thức
Nếu
thì đa thức nội suy
và ta có:
Ta nói độ chính xác (precision) của quy tắc cầu phương là
nếu quy tắc này chính xác cho mọi đa thức bậc nhỏ hơn
, tức là với mọi đa thức
bậc nhỏ hơn
ta có:
Nếu
thì sai số trong quy tắc cầu phương của độ chính xác
là
Ta xét một số trường hợp đặc biệt.  Nếu chọn
và
thì ta có công thức xấp xỉ tích phân bởi diện tích hình chữ nhật ABCD (Hình 1.1):
(1.5) Nếu
là nghiệm của phương trình vi phân (1.1) - (1.2) (nghiệm của phương trình tích phân (1.4)) thì:
(1.6) Kết hợp với công thức (1.5) ta đi đến công thức:
(1.7) Gọi
là độ dài bước (stepsize) của biến độc lập
(
có thể dương hoặc âm, khi
dương thì nghiệm được xây dựng về bên phải của điểm
và ngược lại, khi
âm thì nghiệm được xây dựng về bên trái của
). Dưới đây ta coi
, trường hợp
có thể được xét tương tự. Từ công thức (1.7) ta có
;
; .....;
. Đây chính là công thức Euler tiến quen thuộc. Hình 1.1  Nếu chọn
và
thì ta có công thức xấp xỉ tích phân bởi diện tích hình chữ nhật ABEF (Hình 1.2):
Từ đây ta có:
Suy ra công thức Euler lùi:
. Hình 1.2 Hai phương pháp Euler tiến và Euler lùi là những phương pháp Runge-Kutta bậc nhất (có độ xấp xỉ bậc nhất).  Nếu chọn
và
thì ta có công thức xấp xỉ tích phân bởi diện tích hình chữ nhật ABMN (Hình 1.3):
Từ đây ta có: Hình 1.3
. Từ công thức trên ta có
. Đây chính là phương pháp trung điểm (midpoind method).  Nếu chọn
và
thì
và
Suy ra
và
Chứng tỏ
. Như vậy nếu xấp xỉ tích phân
bởi công thức trên (bởi diện tích hình thang ABED, Hình 1.4) thì ta được:
. Từ đây ta có công thức hình thang:
. Phương pháp điểm giữa và phương pháp hình thang là hai phương pháp ẩn, Hình 1.4 chúng có độ chính xác
.  Nếu chọn
và
thì, đặt
, ta có:


Suy ra
và
Do tính chất đối xứng (hoặc tính trực tiếp), ta có
. Từ các tính toán trên ta đi đến công thức Simpson:
. Suy ra công thức xấp xỉ nghiệm của phương trình vi phân
và công thức sai phân
. Đây là công thức ẩn của phương pháp Runge-Kutta kinh điển cấp bốn (classical fourth-order Runge-Kutta method). 1.2.2. Phương pháp Runge-Kutta 1.2.2.1. Dẫn tới phương pháp Runge - Kutta Vì phương pháp ẩn đòi hỏi tại mỗi bước phải giải một phương trình phi tuyến, điều này không đơn giản, nên ta cố gắng xây dựng các công thức Runge-Kutta hiển từ công thức hình thang ẩn, công thức điểm giữa ẩn và công thức Runge-Kutta kinh điển cấp bốn ẩn tương ứng như sau.  Trong công thức hình thang ẩn:
, ta thay giá trị
ở vế phải bằng công thức Euler tiến:
. Khi ấy ta được công thức:
Công thức này được gọi là phương pháp hình thang hiển (explicit trapezoidal method).  Bằng cách sử dụng xấp xỉ bậc nhất của
theo phương pháp Euler tiến:
và thay vào công thức của phương pháp trung điểm ẩn
ta nhận được phương pháp trung điểm hiển (explicit midpoint method):
 Từ phương pháp Runge-Kutta ẩn cấp bốn kinh điển
, ta có công thức Runge-Kutta hiển bậc bốn kinh điển sau:
trong đó:
1.2.2.2. Phương pháp Runge-Kutta tổng quát Nội dung cơ bản của phương pháp Runge-Kutta tổng quát như sau. Chia đoạn
thành một lưới đều
,
,
, và kí hiệu
là giá trị xấp xỉ
,
,
. Phương pháp Runge-Kutta cho bài toán (1.1)-(1.2) có dạng (xem, [2], [4]-[7])
, (1.8) trong đó
là vectơ
-chiều và là nghiệm của hệ phương trình phi tuyến
. (1.9) Các tham số
,
,
xác định bậc xấp xỉ của phương pháp, còn
được gọi là số nấc. Nếu
với mọi
thì ta có phương pháp Runge-Kutta hiển. Khi ấy tính toán khá đơn giản (
được tính theo công thức truy hồi). Nếu
với
nào đó thì ta có phương pháp Runge-Kutta ẩn. Khi ấy tại mỗi bước ta phải giải một hệ
phương trình phi tuyến (tuyến tính nếu
) để tìm
vectơ
(mỗi vectơ
có
tọa độ). Thường phương pháp Runge-Kutta được viết dưới dạng bảng Butcher (Butcher table)

  
  Hai phương pháp Runge-Kutta quan trọng thường hay được sử dụng là phương pháp Runge-Kutta bậc hai và phương pháp Runge-Kutta bậc bốn. 1.2.2.3. Công thức lặp của phương pháp Runge-Kutta bậc hai Giả thiết rằng ta đã biết giá trị của
tại
là
. Phương pháp Runge-Kutta hiển hai nấc cấp hai sử dụng điểm
để xấp xỉ giá trị của
tại điểm tiếp theo bằng công thức
(1.10) trong đó
Khái niệm
-nấc (
-stage) thể hiện rằng số lần tính các giá trị của hàm
(tại các điểm khác nhau trong công thức Runge-Kutta) là
. Để tìm các phương pháp Runge-Kutta bậc hai, ta làm như sau (xem [2]). Khai triển Taylor hàm
theo phương trình (1.1) và theo công thức (1.10) rồi so sánh, ta đi đến kết luận: Các hệ số trong phương pháp Runge-Kutta cấp hai phải thoả mãn hệ phương trình
. Đây là một hệ ba phương trình (phi tuyến) bốn ẩn. Ta có thể chọn một hệ số, thí dụ,
tự do. Khi ấy các hệ số còn lại biểu diễn qua
bởi các công thức:
,
,
. Chọn
, thì
và
. Khi ấy ta có một phương pháp Runge-Kutta cấp hai cho phép tính
dựa trên công thức:
. Công thức này được gọi là phương pháp Runge-Kutta đơn giản (Simple Runge-Kutta Method) hoặc phương pháp tiếp tuyến cải tiến (Impoved Tangent Method), vì nó trùng với phương pháp Euler cải tiến. Nếu chọn
thì
,
và
. Khi ấy ta có công thức
. Phương pháp tính theo công thức trên được gọi là phương pháp Euler-Cauchy. 1.2.3. Phương pháp cổ điển đa bước Phương pháp cổ điển
-bước cho bài toán (1.1) có dạng (xem, [3], [4]-[7])
. (1.11) Phương pháp một tựa tương ứng với nó là
. (1.12) Đối với phương pháp này ta giả thiết rằng các giá trị xuất phát
đã được tính tương đối chính xác. Nếu
và
thì phương pháp là phương pháp hiển. Nếu
và
thì ta có phương pháp ẩn. 1.3. Mô hình thử và ổn định của phương pháp số 1.3.1. Mô hình thử Để phân tích hiệu quả của các phương pháp, ta thường thử chúng trên mô hình G. Dahlquist (gọi là phương trình thử hay mô hình thử)
, (1.13) trong đó
là một hằng số (thực hoặc phức). Nghiệm của phương trình này là
. Ta thường viết
, trong đó
và
tương ứng là các phần thực và phần ảo của
. Tương ứng với phương trình (1.13), xét phương trình sai phân tuyến tính bậc nhất
,
, trong đó
cho trước và
nói chung là một số phức. Nghiệm của phương trình này là
. Ta thấy rằng nghiệm này bị chặn khi và chỉ khi
. Giả sử bước
cố định. Khi ấy giá trị của nghiệm chính xác tại các điểm
sẽ là
, trong đó
. Nếu nghiệm chính xác bị chặn thì
. Điều này chỉ có thể xảy ra nếu
. Điều này có nghĩa là, trên mặt phẳng với trục hoành
và trục tung
, miền ổn định của nghiệm chính xác phải là nửa mặt phẳng mở bên trái. Phương pháp một bước được gọi là ổn định tuyệt đối nếu
và ổn định tương đối nếu
. Nếu
là thuần ảo và
thì ổn định tuyệt đối được gọi là ổn định tuần hoàn (P-ổn định). Khi miền ổn định của phương trình sai phân đồng nhất với miền ổn định của phương trình vi phân, lược đồ sai phân hữu hạn được gọi là ổn định - A. Phương trình thử thường được sử dụng như một mô hình để dự đoán tính ổn định của phương pháp số giải hệ dạng tổng quát (1.1)-(1.2). Để thuận tiện, ta cũng có thể đưa ra các khái niệm ổn định tương tự như sau. Kí hiệu
, mọi phương pháp Runge-Kutta (1.8)-(1.9) đều có thể viết dưới dạng
, trong đó
được gọi là hàm ổn định. Định nghĩa 3.1 Tập tất cả các điểm của mặt phẳng phức
mà
được gọi là miền ổn định của phương pháp (1.8)-(1.9). Nếu tập hợp đó chứa toàn bộ nửa mặt phẳng trái thì phương pháp được gọi là ổn định-A, còn nếu ngoài ra
thì phương pháp được gọi là ổn định-L(hay còn gọi là ổn định tiệm cận). 1.3.2. Sự ổn định của phương pháp Euler Phương pháp Euler áp dụng cho phương trình thử (3.1) có dạng
. Nghiệm của phương trình sai phân tương ứng là
, trong đó
. Phương pháp số là ổn định nếu
. Xét các trường hợp sau 1)
là số thực. Khi ấy
, hay
. 2)
là thuần ảo (
, trong đó
là số thực khác 0). Khi ấy
. Chứng tỏ phương pháp là không ổn định nếu
là thuần ảo. 3)
là số phức (
). Khi ấy
, nghĩa là
nằm trong hình tròn đơn vị tâm là
(Hình1.5). Hình tròn này tiếp xúc với trục ảo. Hình 1.5 Như vậy, chỉ có một phần rất nhỏ (hình tròn bán kính bằng 1) của nửa mặt phẳng trái là miền ổn định của phương pháp Euler. Với mọi giá trị khác của
trong nửa mặt phẳng trái và bên ngoài hình tròn này, nghiệm số sẽ bị phóng đại (blow-up) khi nghiệm chính xác triệt tiêu (decays). Phương pháp số này được gọi là ổn định có điều kiện. Để nhận được nghiệm số ổn định, bước
phải được chọn sao cho
nằm trong hình tròn. Nếu
là số thực âm thì từ điều kiện
suy ra
. Nếu
là thực và nghiệm số không ổn định thì
, nghĩa là
là một số âm và có trị tuyệt đối lớn hơn 1. Vì
nên nghiệm số sẽ đổi dấu qua mỗi bước. Sự thay đổi của nghiệm số mô tả khá rõ tính không ổn định. Tương tự, ta có thể xét tính ổn định của các phương pháp Euler cải tiến. Ta đi đến kết luận sau. Phương pháp Euler ẩn là ổn định-L và hội tụ cấp một; Phương pháp hình thang là ổn định-A và hội tụ cấp hai, còn phương pháp Euler hiển không phải là ổn định-A và hội tụ cấp 1. Hàm ổn định của các phương pháp này tương ứng là
,
và
. 1.3.3. Sự ổn định của phương pháp Runge-Kutta 1.3.3.1 Sự ổn định của phương pháp Runge-Kutta bậc hai Xét phương pháp Runge-Kutta bậc hai cho phương trình thử (1.13). Ta có
;
và
. Để phương pháp ổn định thì
, trong đó
. Trường hợp 1.
là số thực. Khi ấy
hay
. Trường hơp 2.
thuần ảo,
. Khi ấy
. Phương pháp không ổn định. Trường hợp 3.
là số phức. Khi ấy
là số phức. Đặt
và tìm nghiệm phức
của phương trình bậc hai theo các giá trị của
. Nhận xét rằng
với mọi giá trị của
. Miền ổn định được chỉ ra trên Hình 1.6. 1.3.3.2. Sự ổn định của phương pháp Runge-Kutta bậc bốn Xét phương pháp Runge-Kutta bậc bốn cho phương trình thử (1.13). Ta có
;
;
;
Và
. Để phương pháp ổn định thì
, trong đó
. Trường hợp 1.
là số thực. Khi ấy
. Trường hơp 2.
thuần ảo,
. Khi ấy
. Trường hợp 3.
là số phức. Đặt
và tìm nghiệm phức
của phương trình bậc bốn theo các giá trị của
. Nhận xét rằng
với mọi giá trị của
. Miền ổn định được chỉ ra trên Hình 1.6.
Hình 1.6 1.3.4. Sự ổn định của phương pháp đa bước Áp dụng các phương pháp (1.11) và (1.12) cho bài toán (1.13) ta được
. (1.14) Phương trình đặc trưng của phương trình sai phân tuyến tính trên có dạng
. (1.15) Định nghĩa 3.2 Tập tất cả các điểm của mặt phẳng phức
mà
với mọi nghiệm của (1.15) và
đối với các nghiệm bội được gọi là miền ổn định của phương pháp (1.14). Nếu tập hợp đó chứa toàn bộ nửa mặt phẳng trái thì phương pháp được gọi là ổn định-A. Nhận xét Với mọi phương pháp cổ điển miền ổn định chứa gốc tọa độ của mặt phẳng phức. Tương ứng với bậc của phương pháp ta đã biết những điều sau (xem [11]): 1) Bậc của các phương pháp Runge-Kutta
-nấc cho phương trình (1.13)-(1.15) không vượt quá
(chắn Butcher). 2)
là cấp chính xác,
là số bước của phương pháp (1.11).Nếu phương pháp ổn định thì
không vượt quá
khi
chẵn và
khi
lẻ (chắn Dahlquist thứ nhất). 3) Phương pháp (1.11) ổn định – A không thể có cấp chính xác vượt quá 2 (chắn Dahlquist thứ hai). Trong Chương sau ta sẽ trình bày phương pháp do Bulatov đề nghị cải tiến được những hạn chế nêu trên. 1.3.5. Sự ổn định của phương pháp sai phân hữu hạn Xét phương trình vi phân tuyến tính bậc hai
, trong đó
là hằng số và đủ lớn so với 1. Phương trình có nghiệm là
, trong đó
và
là các hằng số bất kì được xác định bởi điều kiện ban đầu hoặc điều kiện biên tương ứng. Nếu
và
thì nghiệm bị chặn. Đại lượng
là nghịch biến khi
và đồng biến khi
. Xấp xỉ sai phân trung tâm cho hệ là
. Phương trình sai phân này có nghiệm là
. Nếu
đại lượng
nên
là nghịch biến. Khi
thì
nếu
. Đây chính là điều kiện ổn định cho hệ sai phân. CHƯƠNG 2 Về một phương pháp không cổ điển giải số hệ phương trình vi phân cấp một Chương này trình bày một phương pháp mới do Bulatov đề xuất giải số bài toán Cauchy cho hệ phương trình vi phân cấp một (xem [9]-[11]) tốt hơn các phương pháp cổ điển. Phương pháp mới là một họ phương pháp một bước, bậc hai, trong đó có phương pháp là L-ổn định. Nội dung của Chương gồm hai mục. Trong 2.1 chúng tôi trình bày phương pháp không cổ điển do Bulatov đề xuất giải số hệ phương trình vi phân phi tuyến cấp một. Phương pháp không cổ điển do Bulatov đề xuất giải số hệ phương trình vi phân tuyến tính cấp một được trình bày trong 2.2. Để làm sáng tỏ phương pháp, chúng tôi đã thực hiện các tính toán chi tiết (phân tích các hàm nhiều biến dưới dạng chuỗi Taylor,...) mà trong [9]-[11] trình bày không tường minh. 2.1. Phương pháp không cổ điển giải số hệ phương trình vi phân phi tuyến cấp một 2.1.1. Phương pháp tổng quát Xét bài toán Cauchy tìm nghiệm của hệ phương trình

(2.1) thỏa mãn điều kiện ban đầu
, (2.2) trong đó
là các hàm vectơ
- chiều, hàm
xác định trên hình hộp chữ nhật vô tận
. Để giải bài toán (2.1)-(2.2), ta bắt đầu đi từ phương pháp(- và phương pháp một tựa của nó (hai phương pháp này đều có cấp chính xác bằng một):
(2.3) và
(1.4) với
là các hằng số tùy ý,
. Mỗi công thức truy hồi (2.3) (hoặc (2.4)) cho một dãy các giá trị xấp xỉ nghiệm của phương trình vi phân (2.1)-(2.2). Dưới đây ta cố gắng kết hợp hai phương pháp (2.3) và (2.4) để được một phương pháp số mới giải hệ phương trình vi phân (2.1)-(2.2). Khai triển Taylor tại điểm
ta được:
và
trong đó
. Các phương pháp (2.3)-(2.4) được tuyến tính hóa như sau
, (2.3’)
. (2.4’) Viết lại hai công thức trên thành một hệ phương trình đại số tuyến tính có ẩn là
(kí hiệu
là ma trận đơn vị cấp
):