Об устойчивости явной трехслойной разностной схемы для уравнения типа Шредингера

Предлагается подход к численному моделированию акустических полей в подводных неоднородных волноводах, использующий явные разностные схемы для решения волнового параболического уравнения типа Шредингера. Такой подход позволяет учесть преимущества явных разностных схем и повысить эффективность вычисл...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Компьютерная математика
Date:2010
Main Authors: Гладкий, А.В., Гладкая, Ю.А.
Format: Article
Language:Russian
Published: Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України 2010
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/84561
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Об устойчивости явной трехслойной разностной схемы для уравнения типа Шредингера / А.В. Гладкий, Ю.А. Гладкая // Компьютерная математика: сб. науч. тр. — 2010. — № 1. — С. 3-9. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1860237446098190336
author Гладкий, А.В.
Гладкая, Ю.А.
author_facet Гладкий, А.В.
Гладкая, Ю.А.
citation_txt Об устойчивости явной трехслойной разностной схемы для уравнения типа Шредингера / А.В. Гладкий, Ю.А. Гладкая // Компьютерная математика: сб. науч. тр. — 2010. — № 1. — С. 3-9. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Компьютерная математика
description Предлагается подход к численному моделированию акустических полей в подводных неоднородных волноводах, использующий явные разностные схемы для решения волнового параболического уравнения типа Шредингера. Такой подход позволяет учесть преимущества явных разностных схем и повысить эффективность вычислительных процессов, используя методику параллельных вычислений. Рассмотрены вопросы построения и исследования устойчивости явной трехслойной разностной схемы с комплекснозначными несамосопряженными операторами. Получено условие устойчивости по начальным данным. Розглянуто підхід до чисельного моделювання акустичних полів у підводних неоднорідних хвилеводах, що використовує явні різницеві схеми для розв’язання хвильового параболічного рівняння типу Шредінгера. Запропонована явна тришарова різницева схема з комплексними несамоспряженими операторами, досліджена її стійкість та отримана умова стійкості за початковими даними. An approach to numerical modeling of acoustic fields in the underwater non-homogeneous waveguides is considered. Explicit three-level difference schemes are used for solving wave parabolic equations of Shroedinger type. The explicit three-level difference scheme with complex nonself-conjugate operator is suggested. The stability of this scheme is investigated. The stability condition on initial data is obtained.
first_indexed 2025-12-07T18:26:01Z
format Article
fulltext Компьютерная математика. 2010, № 1 3 Ìàòåìàòè÷åñêîå ìîäåëèðîâàíèå Предлагается подход к численно- му моделированию акустических полей в подводных неоднородных волноводах, использующий явные разностные схемы для решения волнового параболического урав- нения типа Шредингера. Такой подход позволяет учесть преиму- щества явных разностных схем и повысить эффективность вычис- лительных процессов, используя методику параллельных вычисле- ний. Рассмотрены вопросы пост- роения и исследования устойчиво- сти явной трехслойной разност- ной схемы с комплекснозначными несамосопряженными оператора- ми. Получено условие устойчиво- сти по начальным данным.  А.В. Гладкий, Ю.А. Гладкая, 2010 ÓÄÊ 517.9:519.6 À.Â. ÃËÀÄÊÈÉ, Þ.À.ÃËÀÄÊÀß ÎÁ ÓÑÒÎÉ×ÈÂÎÑÒÈ ßÂÍÎÉ ÒÐÅÕÑËÎÉÍÎÉ ÐÀÇÍÎÑÒÍÎÉ ÑÕÅÌÛ ÄËß ÓÐÀÂÍÅÍÈß ÒÈÏÀ ØÐÅÄÈÍÃÅÐÀ Введение. В настоящее время значительный интерес представляют вопросы исследования особенностей распространения звуковых волн в неоднородных волноводах [1–6]. С математической точки зрения расчет звукового поля описывается краевыми зада- чами для эллиптического волнового уравне- ния Гельмгольца, численное решение кото- рых в случае неограниченных неоднородных областей связано с известными вычислите- льными трудностями. Один из подходов к расчету акустических полей в неограничен- ных областях состоит в использовании пара- болических аппроксимаций, что позволяет свести решение краевых задач к решению задачи Коши для уравнений параболического типа с несамосопряженным комплекснознач- ным оператором. Известно, что явные двухслойные разнос- тные схемы решения начально-краевых задач для уравнений типа Шредингера безусловно неустойчивы. В данной работе для численного решения волнового уравнения типа Шредингера пред- лагается подход к построению и исследова- нию устойчивости явных трехслойных раз- ностных схем с комплекснозначными неса- мосопряженными операторами. Постановка задачи. Для описания акус- тического поля в осесимметричном волно- воде { }0,0, 00 ><<∞<<= rLzrrG , где ),( zr – цилиндрические координаты и ось z на- правлена вертикально вниз. Рассмотрим сле- дующую начально-краевую задачу для вол- нового уравнения типа Шредингера с ком- плексным несамосопряженным оператором [2, 3] А.В. ГЛАДКИЙ, Ю.А. ГЛАДКАЯ 4 Компьютерная математика. 2010, № 1 0)),(1),((2 22 02 2 0 =υ+−+ ∂ ∂+ ∂ ∂ pzrizrnk z p r p ik . (1) Здесь ),( zrp – комплекснозначная функция; 1−=i – мнимая единица; 00 /2 cfk π= – волновое число; ),(/),( 0 zrcczrn = , 0),( ≥υ zr – непрерывные достаточно гладкие функции (коэффициенты преломления и поглощения соот- ветственно). Дифференциальное уравнение (1) является базовым для определения даль- него комплекснозначного акустического давления ),( zrP , создаваемого точеч- ным гармоническим источником с координатами ),0( 0z . Это давление удовле- творяет уравнению Гельмгольца r zzr Pzrizrnk z P r P r r u r π −δδ −=υ++ ∂ ∂+      ∂ ∂ ∂ ∂ 2 )()( )),(),(( 1 022 02 2 и при 10 >>rk представляется в виде ),()(),( 0 )1( 0 zrprkHzrP = , где )()1( 0 ⋅H – функция Ханкеля первого рода нулевого порядка. Для волн, распространяющих- ся в направлениях, близких к горизонтальному, комплекснозначная амплиту- да ),( zrp удовлетворяет псевдодифференциальному уравнению ( ) 1/ 2 0 0 0, p ik p ik E Q р r ∂ + − + = ∂ (2) где E – единичный оператор, ( ) p zk EzrizrnQp         ∂ ∂+υ+−= 2 2 2 0 2 1 ),(1),( . Подставляя в (2) приближенное выражение оператора корня квадратного в виде , 2 1 )( 2/1 QEQE +≅+ получаем параболическое волновое уравнение (1). Отметим, что область эффективного использования уравнения (1) для моде- лирования акустических волн ограничена углами распространения до горизон- тали, не превышающими 12º. Рассмотрим начально-краевую задачу для уравнения (1), ограничиваясь средой без потерь и мягкими границами волновода: Gzrpzrnk z p r p ik ∈=−+ ∂ ∂+ ∂ ∂ ),(,0)1),((2 22 02 2 0 , (3) ОБ УСТОЙЧИВОСТИ ЯВНОЙ ТРЕХСЛОЙНОЙ СХЕМЫ ДЛЯ УРАВНЕНИЯ ТИПА… Компьютерная математика. 2010, № 1 5 ,,0,0 00 ∞<≤== == rrpp Hzz (4) Lzzuzrp <<= 0),(),( 0 . (5) Для численного решения задачи (3)–(5) с комплексным несамосопряженным оператором наиболее удобным является метод сеток, применение которого тре- бует исследования устойчивости по начальным данным, по правой части, а так- же сходимости решения разностной схемы. Следует отметить, что при исследо- вании разностных схем наиболее важным является вопрос устойчивости по на- чальным данным. Разностная схема. На сетке hhhhhh ω×ω=ωγω=ω×ω=ω ττττττ ,∪ , },...,2,1,0,{},/,,0,{ 0 =τ+===ω=====ω τ mmrrrNLhNkkhzz mkh , }/,1,1,{},,...,2,1,{ 0 NLhNkkhzzmmrrr khm =−====ω=τ+===ωτ , дифференциальной задаче (3)–(5) поставим в соответствие явную трехслойную разностную схему hzz r rzyrzbyyik τω∈=++ ),(,0),(2 0 � , (6) hzzyzy ω∈= ),()0,( 0 , (7) τω∈== rrLyry ,0),(,0),0( . (8) Здесь )1),((),(,/ 22 0 −=τ=γ zrnkzrbh и приняты следующие обозначения тео- рии разностных схем [7]: 1 1ˆ ˆ( , ), , , ( ) / 2 ,m m m k m k k k r y y y r z y y y y y y y+ −= = = = = − τ� ⌣ ⌣ 1 1( ) / , ( ) / ,z k k z k ky y y h y y y h+ −= − = − ( )m k m k m kzzzz yyy h yy h y +−=−= + 2 1 )( 1 12 . Следует отметить, что в случае уравнения теплопроводности аналогичная явная трехслойная разностная схема (схема Ричардсона) является абсолютно неустойчивой [7 ]. Пользуясь разложением в ряд Тейлора легко показать, что для погрешности аппроксимации уравнения (6) справедливо соотношение )(),(2 22 0 hOprzbppik zz r +τ=++=ψ � . А.В. ГЛАДКИЙ, Ю.А. ГЛАДКАЯ 6 Компьютерная математика. 2010, № 1 Таким образом, задача (6)–(8) является явной трехслойной разностной схе- мой. Отметим, что при расчетах, кроме решения при 0r , необходимо иметь зна- чение решения hzzyy ω∈τ= ),,(1 , которое можно получить каким-либо другим методом. Перейдем к анализу устойчивости разностной схемы (6)–(8) по начальным данным. Пусть H – пространство сеточных комплекснозначных функций, заданных на hω и равных нулю при Lzz ======== ,0 . Сеточная функция )(ryy = определена на τω со значениями в H { } )(,),,()(: m m h ryyzzryry =ω∈= . Введем скалярное произведение и норму в H: 1/ 2( , ) ( , ) , ( , ) , h m m z y v y v hyv y y y ∈ω = = =∑ (9) где черта означает комплексное сопряжение. Введем далее гильбертово пространство H 2 = H⊕H как прямую сумму, т.е. элементами пространства H 2 являются векторы вида ),( 1+= mm m yyy , ∈+1, mm yy H с покоординатными операциями сложения и умножения. Устой- чивость трехслойной схемы (6)–(8) будем изучать в энергетическом простран- стве H 2 D с метрикой, порожденной некоторым (возможно зависящим от r ) самосопряженным положительным оператором )( mm rDDD ======== , действую- щим в H 2 : ∈== vyyyyvDyvy DDD ,,),(),,(),( 2/1 H 2 . Следуя [7], под устойчивостью по начальным данным будем понимать выполнение оценки ,...,2,1,0),,(),( 2 111 =ρ≤+++ myyDyyD mmmmmm где величина mρ равномерно ограничена константой, не зависящей от парамет- ров сетки. Введем следующие обозначения: 0,0,),(,1),(),( 1010 2 ≥ε≥εε≤ε≤ε−−=ε zrzrnzr . Имеет место Теорема. Разностная схема (6)–(8) устойчива по начальным данным при выполнении условия ОБ УСТОЙЧИВОСТИ ЯВНОЙ ТРЕХСЛОЙНОЙ СХЕМЫ ДЛЯ УРАВНЕНИЯ ТИПА… Компьютерная математика. 2010, № 1 7 0, 4 2 102 0 2 0 2 0 ≠ε+ε ε+ ≤τ k hk . (10) Для доказательства перепишем задачу (6)–(8) в операторной форме: rrAyyy ω∈=+α+α ,0ˆ ⌣ , (11) где 10 , yy заданы, ∈= )( m m ryy H, а комплексный параметр α и оператор A определяются выражениями τ −=α 0ik , ∈ε−−= yyzrkyAy zz ,),(2 0 H. (12) Линейный разностный оператор A самосопряжен в смысле скалярного произве- дения (9). Запишем уравнение (11) в виде AyyAyy 2 1 2 1 ˆ −α−=+α ⌣ и возведем скалярно обе части равенства в квадрат. Тогда получим тождество ( ) ( ) ( )yAyAyyyAyyy ⌣⌣⌣ α+α+α=α+α , 2 1 , 2 1 ,ˆReˆ 2222 , в правой части которого прибавим и вычтем величину 22 yα . Отсюда, учиты- вая самосопряженность оператора A , свойства ( )( , ) ,Ay y Ay yα = α =⌣ ⌣ ( )yAy ⌣ ,α , получаем соотношение ( ) ( ) 22222222 ,Re,ˆReˆ yyAyyyAyyy α+α+α=α+α+α ⌣⌣ , которое можно переписать так:             −α++α=            −α++α yyAEyAyyyAEAyy , 4 1 2 1 , 4 1 2 1 ˆ 22 2 22 2 ⌣ . Это означает, что квадратичная форма             −α++α=Ξ yyAEAyym , 4 1 2 1 ˆ 22 2 (13) А.В. ГЛАДКИЙ, Ю.А. ГЛАДКАЯ 8 Компьютерная математика. 2010, № 1 неотрицательна при выполнении неравенства 2 21 , 0, 4 E A y y y   α − ≥ ∈      H. (14) В этом случае квадратичную форму (13) можно записать в виде скалярного произведения ( )mmmm yyD ,=Ξ , где ∈= + ),( 1mm m yyy H 2 , а самосопряжен- ный и неотрицательный оператор mD , действующий в пространстве H 2 , явля- ется квадратной операторной матрицей второго порядка:             αα αα = EA AE Dm 2 2 2 1 2 1 . Тогда на каждом шаге выполняется энергетическое тождество ( ) ( )11,, −−= mmmmmm yyDyyD , ∈my H 2 , которое означает, что ошибка, допущенная на некотором шаге, не возрастает. Если в (14) выполняется строгое неравенство, то выражение ( )mmm yyD , определяет норму в пространстве H 2 , что обеспечивает устойчивость разност- ной схемы (6)–(8) в этой норме. Легко видеть, что условие неотрицательности квадратичной формы (13) означает выполнение неравенства α≤ 2A . Учиты- вая, что τ=αε+λ≤ − /, 00 2 01 kkA N , где 2 1 /4 hN ≤λ − – максимальное собст- венное значение оператора zzy− , приходим к условию устойчивости (10). Заключение. В работе рассматривается подход к численному моделирова- нию акустических полей, описываемых волновым уравнением типа Шрединге- ра. Исследованы вопросы построения и устойчивости трехслойных явных раз- ностных схем с комплекснозначными несамосопряженными операторами, полу- чено условие устойчивости по начальным данным. Предложенная методика лег- ко обобщается на случай разрывных коэффициентов преломления, других крае- вых условий и позволяет повысить эффективность вычислительных процессов, используя методику параллельных вычислений. ОБ УСТОЙЧИВОСТИ ЯВНОЙ ТРЕХСЛОЙНОЙ СХЕМЫ ДЛЯ УРАВНЕНИЯ ТИПА… Компьютерная математика. 2010, № 1 9 А.В. Гладкий, Ю.А. Гладка ПРО СТІЙКІСТЬ ЯВНОЇ ТРИШАРОВОЇ РІЗНИЦЕВОЇ СХЕМИ ДЛЯ РІВНЯННЯ ТИПУ ШРЕДІНГЕРА Розглянуто підхід до чисельного моделювання акустичних полів у підводних неоднорідних хвилеводах, що використовує явні різницеві схеми для розв’язання хвильового параболічного рівняння типу Шредінгера. Запропонована явна тришарова різницева схема з комплексними несамоспряженими операторами, досліджена її стійкість та отримана умова стійкості за по- чатковими даними. A.V. Gladky, J.A .Gladka ON A STABILITY OF THE EXPLICIT THREE-LEVEL DIFFERENCE SCHEME FOR THE SCHROEDINGER-TYPE EQUATION An approach to numerical modeling of acoustic fields in the underwater non-homogeneous waveguides is considered. Explicit three-level difference schemes are used for solving wave para- bolic equations of Shroedinger type. The explicit three-level difference scheme with complex non- self-conjugate operator is suggested. The stability of this scheme is investigated. The stability condi- tion on initial data is obtained. 1. Бреховских Л.М. , Лысанов Ю.П. Теоретические основы акустики океана. – Л.: Гидроме- теоиздат, 1982. – 264 с. 2. Распространение волн и подводная акустика // Под ред. Дж. Б. Келлера и Дж. Пападакиса. – М.: Мир, 1980. – 230 с. 3. Lee D., McDaniel S.T. Ocean acoustic propagation by finite difference method // Comput. Math. Appl. – 1987. – 14. – P. 305–423. 4. Lee D., Pierse A.D., Shang E.C. Parabolic equation development in the twentieth century // J. Comput. Acoust. – 2000. – 1, N 4. – P. 527–637. 5. Гладкий А.В., Сергиенко И.В., Скопецкий В.В. Численно-аналитические методы исследова- ния волновых процессов. – Киев: Наук. думка, 2001. – 452 с. 6. Завадский В.Ю. Моделирование волновых процессов. – М.: Наука, 1991. – 248 с. 7. Самарский А.А., Гулин А.В. Устойчивость разностных схем. – М.: Наука, 1973. – 416 с. Получено 09.12.2009 Îá àâòîðàõ: Гладкий Анатолий Васильевич, доктор физико-математических наук, профессор, ведущий научный сотрудник Института кибернетики имени В.М. Глушкова НАН Украины, Гладкая Юлия Анатольевна, доцент Киевского национального торгово-экономического университета.
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-84561
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn ХХХХ-0003
language Russian
last_indexed 2025-12-07T18:26:01Z
publishDate 2010
publisher Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
record_format dspace
spelling Гладкий, А.В.
Гладкая, Ю.А.
2015-07-10T14:27:50Z
2015-07-10T14:27:50Z
2010
Об устойчивости явной трехслойной разностной схемы для уравнения типа Шредингера / А.В. Гладкий, Ю.А. Гладкая // Компьютерная математика: сб. науч. тр. — 2010. — № 1. — С. 3-9. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
ХХХХ-0003
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/84561
517.9:519.6
Предлагается подход к численному моделированию акустических полей в подводных неоднородных волноводах, использующий явные разностные схемы для решения волнового параболического уравнения типа Шредингера. Такой подход позволяет учесть преимущества явных разностных схем и повысить эффективность вычислительных процессов, используя методику параллельных вычислений. Рассмотрены вопросы построения и исследования устойчивости явной трехслойной разностной схемы с комплекснозначными несамосопряженными операторами. Получено условие устойчивости по начальным данным.
Розглянуто підхід до чисельного моделювання акустичних полів у підводних неоднорідних хвилеводах, що використовує явні різницеві схеми для розв’язання хвильового параболічного рівняння типу Шредінгера. Запропонована явна тришарова різницева схема з комплексними несамоспряженими операторами, досліджена її стійкість та отримана умова стійкості за початковими даними.
An approach to numerical modeling of acoustic fields in the underwater non-homogeneous waveguides is considered. Explicit three-level difference schemes are used for solving wave parabolic equations of Shroedinger type. The explicit three-level difference scheme with complex nonself-conjugate operator is suggested. The stability of this scheme is investigated. The stability condition on initial data is obtained.
ru
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
Компьютерная математика
Математическое моделирование
Об устойчивости явной трехслойной разностной схемы для уравнения типа Шредингера
Про стійкість явної тришарової різницевої схеми для рівняння типу Шредінгера
On a stability of the explicit three-level difference scheme for the Schroedinger-type equation
Article
published earlier
spellingShingle Об устойчивости явной трехслойной разностной схемы для уравнения типа Шредингера
Гладкий, А.В.
Гладкая, Ю.А.
Математическое моделирование
title Об устойчивости явной трехслойной разностной схемы для уравнения типа Шредингера
title_alt Про стійкість явної тришарової різницевої схеми для рівняння типу Шредінгера
On a stability of the explicit three-level difference scheme for the Schroedinger-type equation
title_full Об устойчивости явной трехслойной разностной схемы для уравнения типа Шредингера
title_fullStr Об устойчивости явной трехслойной разностной схемы для уравнения типа Шредингера
title_full_unstemmed Об устойчивости явной трехслойной разностной схемы для уравнения типа Шредингера
title_short Об устойчивости явной трехслойной разностной схемы для уравнения типа Шредингера
title_sort об устойчивости явной трехслойной разностной схемы для уравнения типа шредингера
topic Математическое моделирование
topic_facet Математическое моделирование
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/84561
work_keys_str_mv AT gladkiiav obustoičivostiâvnoitrehsloinoiraznostnoishemydlâuravneniâtipašredingera
AT gladkaâûa obustoičivostiâvnoitrehsloinoiraznostnoishemydlâuravneniâtipašredingera
AT gladkiiav prostíikístʹâvnoítrišarovoíríznicevoíshemidlârívnânnâtipušredíngera
AT gladkaâûa prostíikístʹâvnoítrišarovoíríznicevoíshemidlârívnânnâtipušredíngera
AT gladkiiav onastabilityoftheexplicitthreeleveldifferenceschemefortheschroedingertypeequation
AT gladkaâûa onastabilityoftheexplicitthreeleveldifferenceschemefortheschroedingertypeequation