20. 线性多步法

数值分析



周维祺

多步法的一般形式

与单步法的比较

  • 多步法:

  • 欧拉法:
    ; ;

  • 逆欧拉法:
    ; ;

例子

  • Adam-Bashforth:



  • 用多项式插值逼近,再用Newton-Cotes作数值积分

  • 使用个节点的数值积分公式,系数可由数值积分公式计算

练习

将以下方法写成一般形式,并指出其是显式还是隐式方法

三步Adam-Bashforth:

两步Adam-Moulton:

局部截断误差

多步法具有阶局部截断误差(即误差),若

局部截断误差的计算

  • 实际计算中若较大则也可以用矩阵简化记号



  • ,

例子



  • 欧拉法:
    ; ;

练习

计算以下多步法局部截断误差的阶数

收敛性与稳定性

  • 用上页练习中的方法计算方程 的解

  • ,特征方程

  • 递推得

  • 为误差,则不收敛到精确值,且无界

阶局部截断误差不能保证收敛和稳定

根条件

的所有根都都满足,则称多步法满足根条件

收敛性

若多步法满足根条件,且具阶局部截断误差,则当初值的误差以及时,多步法收敛

练习

计算以下多步法局部截断误差的阶数,并判断其收敛性

Dahlquist界

收敛的步法至多具有如下阶数的局部截断误差:

显式:

隐式且为奇数:

隐式且为偶数:

BDF法



  • 公式:阅读

  • 时都满足根条件,时不再满足

小结

  • 多步法的一般形式

  • 局部截断误差的计算

  • 根条件及其意义、Dahlquist界

  • 几种常见的多步法