簡稱差分法或網格法,是數值解微分方程和積分-微分方程的一種主要的計算方法。它的基本思想是:把連續的定解區域用由有限個離散點構成的格網來代替,這些離散點稱作網格的結(節)點:把在連續定解區域上定義的連續變數函數用在格網上定義的離散變數函數來近似;把原方程和定解條件中的微商用差商來近似,積分用積分和來近似;於是原方程和定解條件就近似地代之以代數方程組,解此代數方程組就得到原問題的近似解。有限差分方法簡單、通用、易於在電腦上實現。
<有限差分方法的主要內容包括:如何根據問題的特點將定解區域作網格剖分;如何把原方程離散化為代數方程組,即有限差分方程組;如何求解此代數方程組。此外,為瞭保證計算過程的可行及計算結果的正確,還須從理論上研究差分方程組的性態,包括解的存在性、唯一性、穩定性和收斂性。穩定性就是指計算過程中舍入誤差的積累應保持有界。收斂性就是指當網格無限加密時,差分解應收斂到原問題的解。
差分方法因方程類型不同,定解問題提法不同而有著各自的特點和不同的內容。(見常微分方程初值問題數值解法、常微分方程邊值問題數值解法、偏微分方程初值問題差分方法、計算流體力學、守恒格式、偏微分方程邊值問題差分方法、玻耳茲曼方程數值解法)
下面以求解二維泊松方程
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設初值條件是
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邊界條件是
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如圖2
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從邊界條件和初值條件,根據差分方程(5)以步進方式求解,即從t=0時的初值(n=0),求出t=τ時的解(n=1);從t=τ時的求得解,求出t=2τ時的解(n=2),等等。
在科學計算中所要求解的方程、計算區域、定解條件往往遠比上述兩例復雜得多。此時,網格剖分及離散化方法遠不是如此簡單和直觀。
參考書目
馮康等編:《數值計算方法》,國防工業出版社,北京,1978。