ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC -------------------------------
PHAN QUANG SƠN
BÀI TOÁN BIÊN TAM ĐIỀU HÒA PHI TUYẾN VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI SỐ
Chuyên ngành: Toán ứng dụng Mã số : 8 46 01 12
LUẬN VĂN THẠC SĨ TOÁN HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. Vũ Vinh Quang
THÁI NGUYÊN - 2020
M(cid:246)c l(cid:246)c
L(cid:237)i c£m (cid:236)n 3
L(cid:237)i cam (cid:31)oan 4
M(cid:240) (cid:31)ƒu 5
8 1 Mºt sŁ ki‚n thøc c(cid:236) b£n
8 1.1 Mºt sŁ kh(cid:230)ng gian h(cid:160)m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8 1.1.1 Kh(cid:230)ng gian m¶tric . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9 1.1.2 Kh(cid:230)ng gian tuy‚n tuy‚n t‰nh (cid:31)(cid:224)nh chu'n . . . . . . .
1.1.3 Kh(cid:230)ng gian t‰ch v(cid:230) h(cid:247)(cid:238)ng . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2 L(cid:254) thuy‚t v• ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p sai ph¥n . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.1 C(cid:230)ng thøc Taylor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.2 C¡c ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p sai ph¥n v(cid:160) (cid:31)⁄o h(cid:160)m v(cid:238)i (cid:31)º ch‰nh
x¡c c§p hai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.3 C¡c ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p sai ph¥n v(cid:160) (cid:31)⁄o h(cid:160)m v(cid:238)i (cid:31)º ch‰nh
x¡c c§p bŁn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 Ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:176)p gi£i b(cid:160)i to¡n tam (cid:31)i•u hÆa phi tuy‚n 20
2.1 B(cid:160)i to¡n bi¶n tam (cid:31)i•u hÆa v(cid:238)i (cid:31)i•u ki»n bi¶n Dirichlet . . . 20
2.1.1 B(cid:160)i to¡n bi¶n v(cid:238)i (cid:31)i•u ki»n bi¶n thuƒn nh§t . . . . . 21
2.1.2 B(cid:160)i to¡n bi¶n v(cid:238)i (cid:31)i•u ki»n bi¶n kh(cid:230)ng thuƒn nh§t . 28
1
2.2 B(cid:160)i to¡n bi¶n tam (cid:31)i•u hÆa v(cid:238)i (cid:31)i•u ki»n bi¶n hØn hæp . . . 31
3 Mºt sŁ k‚t qu£ t‰nh to¡n thß nghi»m 35
3.1 B(cid:160)i to¡n bi¶n v(cid:238)i (cid:31)i•u ki»n bi¶n thuƒn nh§t . . . . . . . . . 35
3.2 B(cid:160)i to¡n bi¶n v(cid:238)i (cid:31)i•u ki»n bi¶n kh(cid:230)ng thuƒn nh§t . . . . . 37
3.3 B(cid:160)i to¡n bi¶n v(cid:238)i (cid:31)i•u ki»n bi¶n hØn hæp . . . . . . . . . . 39
K‚t lu“n 41
2
Appendices 45
L(cid:237)i c£m (cid:236)n
Lu“n v«n n(cid:160)y (cid:31)(cid:247)æc th(cid:252)c hi»n t⁄i Tr(cid:247)(cid:237)ng (cid:30)⁄i h(cid:229)c Khoa h(cid:229)c - (cid:30)⁄i h(cid:229)c
Th¡i nguy¶n v(cid:160) ho(cid:160)n th(cid:160)nh d(cid:247)(cid:238)i s(cid:252) h(cid:247)(cid:238)ng d¤n cıa TS V(cid:244) Vinh Quang.
Em xin (cid:31)(cid:247)æc b(cid:160)y t(cid:228) lÆng bi‚t (cid:236)n ch¥n th(cid:160)nh v(cid:160) s¥u s›c t(cid:238)i ng(cid:247)(cid:237)i h(cid:247)(cid:238)ng
d¤n khoa h(cid:229)c cıa m…nh, ng(cid:247)(cid:237)i (cid:31)¢ (cid:31)(cid:176)t v§n (cid:31)• nghi¶n cøu, d(cid:160)nh nhi•u th(cid:237)i
gian h(cid:247)(cid:238)ng d¤n v(cid:160) t“n t…nh gi£i (cid:31)¡p nhœng th›c m›c cıa em trong suŁt
qu¡ tr…nh l(cid:160)m lu“n v«n.
Em c(cid:244)ng xin tr¥n tr(cid:229)ng c£m (cid:236)n Ban Gi¡m hi»u Tr(cid:247)(cid:237)ng (cid:30)⁄i h(cid:229)c
Khoa h(cid:229)c - (cid:30)⁄i h(cid:229)c Th¡i nguy¶n, Ban Chı nhi»m Khoa To¡n-Tin, c(cid:242)ng
c¡c gi£ng vi¶n (cid:31)¢ tham gia gi£ng d⁄y, (cid:31)¢ t⁄o m(cid:229)i (cid:31)i•u ki»n tŁt nh§t (cid:31)” em
h(cid:229)c t“p v(cid:160) nghi¶n cøu. (cid:30)(cid:231)ng th(cid:237)i, em c(cid:244)ng xin gßi l(cid:237)i c£m (cid:236)n t(cid:238)i t“p th”
l(cid:238)p cao h(cid:229)c To¡n (kh(cid:226)a 2018-2020), c£m (cid:236)n gia (cid:31)…nh b⁄n b– (cid:31)¢ (cid:31)ºng vi¶n
3
v(cid:160) gi(cid:243)p (cid:31)(cid:239) em r§t nhi•u trong qu¡ tr…nh h(cid:229)c t“p.
L(cid:237)i cam (cid:31)oan
Lu“n v«n n(cid:160)y (cid:31)(cid:247)æc ho(cid:160)n th(cid:160)nh d(cid:247)(cid:238)i s(cid:252) h(cid:247)(cid:238)ng d¤n t“n t…nh cıa thƒy
gi¡o TS V(cid:244) Vinh Quang c(cid:242)ng v(cid:238)i s(cid:252) cŁ g›ng cıa b£n th¥n. Trong qu¡
tr…nh nghi¶n cøu lu“n v«n, t(cid:230)i (cid:31)¢ k‚ thła nhœng th(cid:160)nh qu£ nghi¶n cøu cıa
c¡c nh(cid:160) khoa h(cid:229)c, c¡c nh(cid:160) nghi¶n cøu v(cid:238)i s(cid:252) tr¥n tr(cid:229)ng v(cid:160) bi‚t (cid:236)n.
T(cid:230)i xin cam (cid:31)oan nhœng k‚t qu£ trong lu“n v«n n(cid:160)y l(cid:160) k‚t qu£ nghi¶n
cøu cıa b£n th¥n, kh(cid:230)ng tr(cid:242)ng v(cid:238)i lu“n v«n cıa t¡c gi£ kh¡c.
Th¡i Nguy¶n, ng(cid:160)y th¡ng n«m 2020
4
T¡c gi£
M(cid:240) (cid:31)ƒu
Mºt sŁ b(cid:160)i to¡n trong c(cid:236) h(cid:229)c c¡c m(cid:230)i tr(cid:247)(cid:237)ng li¶n t(cid:246)c nh(cid:247) c¡c b(cid:160)i
to¡n nghi¶n cøu v• truy•n nhi»t, c¡c b(cid:160)i to¡n v• l(cid:254) thuy‚t dao (cid:31)ºng qua
m(cid:230) h…nh h(cid:226)a (cid:31)•u (cid:31)(cid:247)a v• c¡c b(cid:160)i to¡n bi¶n cho ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh elliptic c§p
cao v(cid:160) (cid:31)i”n h…nh l(cid:160) c§p bŁn v(cid:160) c§p s¡u. Trong tr(cid:247)(cid:237)ng hæp khi m(cid:230)i tr(cid:247)(cid:237)ng
l(cid:160) thuƒn nh§t v(cid:160) (cid:31)i•u ki»n bi¶n b…nh th(cid:247)(cid:237)ng th… vi»c t…m nghi»m cıa b(cid:160)i
to¡n c(cid:226) th” (cid:31)(cid:247)æc th(cid:252)c hi»n th(cid:230)ng qua c¡c ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p gi£i t‰ch nh(cid:247) c¡c
ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p t¡ch bi‚n, ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p h(cid:160)m Green ho(cid:176)c c¡c ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p
t…m nghi»m x§p x¿ nh(cid:247) c¡c ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p sai ph¥n hay ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p phƒn
tß hœu h⁄n. Tuy nhi¶n khi v‚ ph£i cıa ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh l(cid:160) h(cid:160)m phi tuy‚n
(cid:31)Łi v(cid:238)i h(cid:160)m v(cid:160) c¡c (cid:31)⁄o h(cid:160)m cıa h(cid:160)m cƒn t…m ho(cid:176)c h» (cid:31)i•u ki»n bi¶n cıa
b(cid:160)i to¡n l(cid:160) phøc t⁄p th… c¡c ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p tr¶n g(cid:176)p kh(cid:226) kh«n. Khi (cid:31)(cid:226) (cid:31)”
gi£i quy‚t, ng(cid:247)(cid:237)i ta th(cid:247)(cid:237)ng sß d(cid:246)ng c¡c ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:176)p tr¶n c(cid:236) s(cid:240) cıa
ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh to¡n tß k‚t hæp v(cid:238)i ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p sai ph¥n (cid:31)” t…m nghi»m
x§p x¿ th(cid:230)ng qua c¡c thu“t to¡n sŁ.
Trong c¡c ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh c§p cao th… ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh th(cid:230)ng d(cid:246)ng nh§t
l(cid:160) ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh song (cid:31)i•u hÆa (mºt lo⁄i ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh c§p bŁn), (cid:31)¥y l(cid:160)
m(cid:230) h…nh c(cid:236) b£n trong l(cid:254) thuy‚t (cid:31)(cid:160)n h(cid:231)i phflng, l(cid:254) thuy‚t b£n m(cid:228)ng, l(cid:254)
thuy‚t dÆng ch£y v(cid:160) gƒn (cid:31)¥y ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh c§p bŁn cÆn xu§t hi»n trong
ph¥n t‰ch £nh v(cid:160) thi‚t k‚ h…nh h(cid:229)c. Lo⁄i ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh n(cid:160)y (cid:31)¢ (cid:31)(cid:247)æc nghi¶n
cøu nhi•u k” c£ v• l(cid:254) thuy‚t v(cid:160) c¡c thu“t to¡n t‰nh to¡n b‹ng sŁ. Gƒn (cid:31)¥y,
do nhu cƒu ph¡t tri”n cıa khoa h(cid:229)c v(cid:160) c(cid:230)ng ngh» ng(cid:247)(cid:237)i ta b›t (cid:31)ƒu quan
5
t¥m (cid:31)‚n ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh c§p s¡u m(cid:160) ti¶u bi”u l(cid:160) ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh tam (cid:31)i•u hÆa
(triharmonic equation) d⁄ng ∆3u = f (x). Trong (cid:31)(cid:226), ∆ l(cid:160) to¡n tß Laplace
trong kh(cid:230)ng gian 2 ho(cid:176)c 3 chi•u. Ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh n(cid:160)y l(cid:160) m(cid:230) h…nh cıa pha
tinh th”, hay l(cid:160) m(cid:230) h…nh h(cid:226)a dÆng ch£y quay ch“m cıa ch§t l(cid:228)ng nh(cid:238)t cao
v(cid:160) l(cid:160) c(cid:230)ng c(cid:246) quan tr(cid:229)ng trong m(cid:230) h…nh h(cid:226)a h…nh h(cid:229)c.
Do ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh tam (cid:31)i•u hÆa c(cid:226) nhi•u øng d(cid:246)ng trong th(cid:252)c t‚
n¶n ng(cid:247)(cid:237)i ta quan t¥m nhi•u (cid:31)‚n ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p gi£i c¡c b(cid:160)i to¡n bi¶n cho
ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh n(cid:160)y v(cid:238)i gi£ thi‚t r‹ng b(cid:160)i to¡n c(cid:226) nghi»m duy nh§t v(cid:160) (cid:31)ı
tr(cid:236)n. C(cid:226) th” k” (cid:31)‚n (cid:31)(cid:226)ng g(cid:226)p cıa Nudi v(cid:160) Neilan, (cid:240) (cid:31)(cid:226) ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p phƒn
tß hœu h⁄n (cid:31)¢ (cid:31)(cid:247)æc sß d(cid:246)ng. C¡c nghi¶n cøu v• vi»c gi£i ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh tam
(cid:31)i•u hÆa tuy‚n t‰nh ho(cid:176)c phi tuy‚n v(cid:238)i (cid:31)i•u ki»n bi¶n u = g1, ∆u = g2, ∆2u = g3 b‹ng ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p sai ph¥n thuºc v• Mohanty v(cid:160) c¡c cºng s(cid:252).
Trong c¡c c(cid:230)ng tr…nh n(cid:160)y, c¡c t¡c gi£ (cid:31)¢ x¥y d(cid:252)ng c¡c l(cid:247)æc (cid:31)(cid:231) sai ph¥n
v(cid:238)i (cid:31)º (cid:31)(cid:243)ng c§p hai ho(cid:176)c c§p bŁn (cid:31)” t…m nghi»m nh(cid:247)ng vi»c gi£i c¡c h»
ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh r(cid:237)i r⁄c thu (cid:31)(cid:247)æc kh(cid:230)ng (cid:31)(cid:247)æc quan t¥m.
T⁄i Vi»t Nam, ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh c§p cao (cid:31)¢ (cid:31)(cid:247)æc t¡c gi£ (cid:30)(cid:176)ng Q. (cid:129) c(cid:242)ng
c¡c cºng s(cid:252) quan t¥m tł h(cid:236)n hai ch(cid:246)c n«m nay. N«m 2006, trong [1] t¡c
gi£ (cid:31)¢ (cid:31)• xu§t mºt c¡ch ti‚p c“n ho(cid:160)n to(cid:160)n kh¡c v(cid:238)i c¡c t¡c gi£ tr¶n khi
nghi¶n cøu v• ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh song (cid:31)i•u hÆa tuy‚n t‰nh v(cid:238)i (cid:31)i•u ki»n bi¶n
Neumann. Theo c¡ch ti‚p c“n n(cid:160)y t¡c gi£ (cid:31)¢ (cid:31)(cid:247)a b(cid:160)i to¡n bi¶n cƒn nghi¶n
cøu v• mºt ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh to¡n tß v(cid:160) sau (cid:31)(cid:226) chøng minh to¡n tß n(cid:160)y l(cid:160)
mºt ¡nh x⁄ co, tł (cid:31)(cid:226) thu (cid:31)(cid:247)æc k‚t qu£ v• s(cid:252) t(cid:231)n t⁄i duy nh§t nghi»m cıa
b(cid:160)i to¡n bi¶n v(cid:160) t‰nh hºi t(cid:246) cıa ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:176)p gi£i b(cid:160)i to¡n c(cid:244)ng (cid:31)(cid:247)æc
thi‚t l“p. Ti‚p t(cid:246)c ph¡t tri”n ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p n(cid:160)y, t¡c gi£ v(cid:160) c¡c cºng s(cid:252) (cid:31)¢
nghi¶n cøu ti‚p v• c¡c b(cid:160)i to¡n bi¶n phi tuy‚n c§p bŁn cho ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh
(cid:31)⁄o h(cid:160)m th(cid:247)(cid:237)ng v(cid:160) ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh (cid:31)⁄o h(cid:160)m ri¶ng v(cid:160) (cid:31)¢ thu (cid:31)(cid:247)æc nhi•u k‚t
qu£ v• (cid:31)(cid:224)nh t‰nh c(cid:244)ng nh(cid:247) (cid:31)(cid:224)nh l(cid:247)æng [2,3,4,5]. Ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p n(cid:160)y (cid:31)(cid:247)æc c¡c
nh(cid:160) nghi¶n cøu (cid:31)¡nh gi¡ cao, (cid:31)(cid:247)æc tr‰ch d¤n nhi•u v(cid:160) sß d(cid:246)ng khi nghi¶n
cøu v• c¡c lo⁄i b(cid:160)i to¡n bi¶n phi tuy‚n.
6
Nºi dung ch‰nh cıa lu“n v«n s‡ tr…nh b(cid:160)y c¡c ki‚n thøc c(cid:236) b£n v•
c(cid:236) s(cid:240) c¡c ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:176)p trong kh(cid:230)ng gian metric, c¡c l(cid:247)æc (cid:31)(cid:231) sai ph¥n
v(cid:238)i (cid:31)º ch‰nh x¡c b“c cao t…m nghi»m x§p x¿ cıa c¡c h» ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh sai
ph¥n, tł (cid:31)(cid:226) (cid:31)(cid:247)a ra mºt sŁ k‚t qu£ trong c¡c nghi¶n cøu v• (cid:31)(cid:224)nh t‰nh c(cid:244)ng
nh(cid:247) l(cid:237)i gi£i sŁ cho b(cid:160)i to¡n bi¶n tam (cid:31)i•u hÆa. Lu“n v«n d(cid:252) ki‚n c(cid:226) bŁ
(cid:136) Ch(cid:247)(cid:236)ng 1 : (cid:30)(cid:247)a ra mºt sŁ ki‚n thøc c(cid:236) b£n v• c¡c kh(cid:230)ng gian h(cid:160)m nh(cid:247)
c(cid:246)c nh(cid:247) sau.
kh(cid:230)ng gian Metric, kh(cid:230)ng gian tuy‚n t‰nh (cid:31)(cid:224)nh chu'n nguy¶n l(cid:254) ¡nh
x⁄ co, (cid:31)i•u ki»n Lipchitz. C(cid:236) s(cid:240) ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p sŁ gi£i b(cid:160)i to¡n elliptic
c§p hai nh(cid:247) kh¡i ni»m v• kh(cid:230)ng gian l(cid:247)(cid:238)i v(cid:160) h(cid:160)m l(cid:247)(cid:238)i, thu“t to¡n thu
g(cid:229)n khŁi l(cid:247)æng t‰nh to¡n, gi(cid:238)i thi»u th(cid:247) vi»n RC2009 v(cid:160) ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p
(cid:136) Ch(cid:247)(cid:236)ng 2 : Tr…nh b(cid:160)y m(cid:230) h…nh b(cid:160)i to¡n tam (cid:31)i•u hÆa phi tuy‚n v(cid:160)
sai ph¥n v(cid:238)i (cid:31)º ch‰nh x¡c b“c cao.
ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p gi£i sŁ bao g(cid:231)m: m(cid:230) h…nh tŒng qu¡t cıa b(cid:160)i to¡n, s(cid:252) t(cid:231)n
t⁄i duy nh§t nghi»m, ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:176)p (cid:31)Łi v(cid:238)i b(cid:160)i to¡n thuƒn nh§t,
ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:176)p møc (cid:31)º li¶n t(cid:246)c, s(cid:252) hºi t(cid:246) cıa ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p, ph(cid:247)(cid:236)ng
ph¡p l(cid:176)p (cid:240) møc (cid:31)º r(cid:237)i r⁄c tł (cid:31)(cid:226) (cid:31)(cid:247)a ra ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:176)p (cid:31)Łi v(cid:238)i b(cid:160)i
(cid:136) Ch(cid:247)(cid:236)ng 3 : (cid:30)(cid:247)a ra mºt sŁ k‚t qu£ th(cid:252)c nghi»m tr¶n M¡y t‰nh (cid:31)i»n tß
to¡n tŒng qu¡t v(cid:238)i (cid:31)i•u ki»n bi¶n kh(cid:230)ng tuƒn nh§t.
th(cid:230)ng qua c¡c v‰ d(cid:246) c(cid:246) th”.
C¡c k‚t qu£ th(cid:252)c nghi»m trong lu“n v«n (cid:31)(cid:247)æc th(cid:252)c hi»n b‹ng c¡c ch(cid:247)(cid:236)ng
7
tr…nh vi‚t tr¶n n•n ng(cid:230)n ngœ Matlab ch⁄y tr¶n m¡y t‰nh PC.
Ch(cid:247)(cid:236)ng 1
Mºt sŁ ki‚n thøc c(cid:236) b£n
Nºi dung ch‰nh cıa ch(cid:247)(cid:236)ng 1 tr…nh b(cid:160)y mºt sŁ ki‚n thøc c(cid:236) b£n v•
c¡c kh(cid:230)ng gian h(cid:160)m, l(cid:254) thuy‚t v• sai ph¥n v(cid:160) (cid:31)(cid:176)c bi»t l(cid:160) c¡c k‚t qu£ x¥y
d(cid:252)ng th(cid:247) vi»n gi£i sŁ b(cid:160)i to¡n bi¶n elliptic c§p hai tr¶n mi•n chœ nh“t.
(cid:30)¥y l(cid:160) c¡c ki‚n thøc v(cid:160) c(cid:230)ng c(cid:246) quan tr(cid:229)ng s‡ sß d(cid:246)ng (cid:31)” nghi¶n cøu v(cid:160)
th(cid:252)c hi»n t‰nh to¡n trong c¡c ch(cid:247)(cid:236)ng ti‚p sau cıa lu“n v«n. C¡c k‚t qu£
1.1 Mºt sŁ kh(cid:230)ng gian h(cid:160)m
1.1.1 Kh(cid:230)ng gian m¶tric
n(cid:160)y (cid:31)¢ (cid:31)(cid:247)æc tham kh£o trong c¡c t(cid:160)i li»u [1, 2, 4, 5].
(cid:30)(cid:224)nh ngh(cid:190)a 1.1. Cho X l(cid:160) mºt t“p kh¡c rØng. Tr¶n X ta trang b(cid:224) mºt
ρ : X × X → R
(x, y) → ρ(x, y),
h(cid:160)m sŁ
th(cid:228)a m¢n c¡c (cid:31)i•u ki»n sau
1) ρ(x, y) ≥ 0, ∀x, y ∈ X; ρ(x, y) = 0 ⇔ x = y;
2) ρ(x, y) = ρ(y, x), ∀x, y ∈ X;
3) ρ(x, z) ≤ ρ(x, y) + ρ(y, z), ∀x, y, z ∈ X.
Khi (cid:31)(cid:226), ρ (cid:31)(cid:247)æc g(cid:229)i l(cid:160) mºt m¶tric hay kho£ng c¡ch tr¶n X v(cid:160) c(cid:176)p (X, ρ) g(cid:229)i
8
l(cid:160) mºt kh(cid:230)ng gian m¶tric ((cid:31)(cid:230)i khi ch¿ k‰ hi»u l(cid:160) X). MØi phƒn tß cıa X
s‡ (cid:31)(cid:247)æc g(cid:229)i l(cid:160) mºt (cid:31)i”m, ρ(x, y) g(cid:229)i l(cid:160) kho£ng c¡ch giœa hai x v(cid:160) y (cid:31)i”m
tr¶n X.
D¢y (xn) l(cid:160) d¢y Cauchy hay d¢y c(cid:236) b£n n‚u v(cid:238)i m(cid:229)i (cid:15), t(cid:231)n t⁄i N ((cid:15))
sao cho v(cid:238)i m(cid:229)i m, n ≥ N ((cid:15)) th… d(xn, xm) < (cid:15). Kh(cid:230)ng gian m¶tric X (cid:31)(cid:247)æc
1.1.2 Kh(cid:230)ng gian tuy‚n tuy‚n t‰nh (cid:31)(cid:224)nh chu'n
g(cid:229)i l(cid:160) (cid:31)ı n‚u m(cid:229)i d¢y c(cid:236) b£n hºi t(cid:246) (cid:31)‚n mºt phƒn tß n(cid:160)o (cid:31)(cid:226) thuºc X.
(cid:30)(cid:224)nh ngh(cid:190)a 1.2. Cho X l(cid:160) mºt kh(cid:230)ng gian tuy‚n t‰nh, ta (cid:31)(cid:247)a v(cid:160)o ¡nh x⁄ k(cid:254) hi»u l(cid:160) chu'n X (cid:107).(cid:107) : X → R th(cid:228)a m¢n c¡c (cid:31)i•u ki»n
a. (cid:107)x(cid:107) ≥ 0; (cid:107)x(cid:107) = 0 ⇔ x = 0;
b. (cid:107)λx(cid:107) = |λ|(cid:107)x(cid:107);
c. (cid:107)x + y(cid:107) ≤ (cid:107)x(cid:107) + (cid:107)y(cid:107),
v(cid:238)i m(cid:229)i x, y ∈ X. Khi (cid:31)(cid:226) c(cid:176)p (X, (cid:107).(cid:107)), trong (cid:31)(cid:226) X l(cid:160) mºt kh(cid:230)ng gian
tuy‚n t‰nh, (cid:107).(cid:107) l(cid:160) mºt chu'n tr¶n X, g(cid:229)i l(cid:160) mºt kh(cid:230)ng gian (cid:31)(cid:224)nh chu'n
(hay cÆn g(cid:229)i l(cid:160) kh(cid:230)ng gian tuy‚n t‰nh (cid:31)(cid:224)nh chu'n).
Nguy¶n l(cid:254) ¡nh x⁄ co
(cid:30)(cid:224)nh ngh(cid:190)a 1.3. Cho (X, d) l(cid:160) mºt kh(cid:230)ng gian metric. (cid:129)nh x⁄ f : X → X
(cid:31)(cid:247)æc g(cid:229)i l(cid:160) mºt ¡nh x⁄ co tr¶n X n‚u v(cid:160) ch¿ n‚u t(cid:231)n t⁄i q ∈ [0, 1) sao cho
d(f (x), f (y)) ≤ qd(x, y),
v(cid:238)i m(cid:229)i x, y ∈ X,
trong (cid:31)(cid:226), q (cid:31)(cid:247)æc g(cid:229)i l(cid:160) h» sŁ co.
D„ th§y m(cid:229)i ¡nh x⁄ co (cid:31)•u li¶n t(cid:246)c.
(cid:30)(cid:224)nh l(cid:254) 1.1 (Nguy¶n l(cid:254) ¡nh x⁄ co Banach). Cho f l(cid:160) ¡nh x⁄ co trong
kh(cid:230)ng gian m¶tric (cid:31)ı (X, d). Khi (cid:31)(cid:226),
(a) T(cid:231)n t⁄i duy nh§t x∗ ∈ X sao cho f (x∗) = x∗. Phƒn tß x∗ (cid:31)(cid:247)æc g(cid:229)i l(cid:160)
9
(cid:31)i”m b§t (cid:31)ºng cıa ¡nh x⁄ f .
(b) M(cid:229)i d¢y l(cid:176)p xn+1 = f (xn), n ≥ 0 xu§t ph¡t tł x0 b§t k(cid:253) (cid:31)•u hºi t(cid:246).
d(xn, x∗) ≤ qn(1 − q)−1d(x0, x1), n ≥ 1
d(xn, x∗) ≤ q(1 − q)−1d(xn−1, xn), n ≥ 1.
Ngo(cid:160)i ra, ta c(cid:226) c¡c (cid:247)(cid:238)c l(cid:247)æng sau
f : V → W (cid:31)(cid:247)æc g(cid:229)i l(cid:160) th(cid:228)a m¢n (cid:31)i•u ki»n Lipchitz n‚u t(cid:231)n t⁄i c¡c h‹ng
Ti‚p theo, ta (cid:31)(cid:247)a ra (cid:31)i•u ki»n Lipchitz cho h(cid:160)m nhi•u bi‚n. Gi£ sß
(cid:107)f (x, y1, . . . , yn) − f (x, z1, . . . , zn)(cid:107) ≤ L1(cid:107)y1 − z1(cid:107) + · · · + Ln(cid:107)yn − zn(cid:107),
sŁ Lk ≥ 0 sao cho v(cid:238)i m(cid:229)i yk, zk th… h» thøc sau (cid:31)¥y (cid:31)(cid:247)æc th(cid:228)a m¢n
trong (cid:31)(cid:226) L1, L2, . . . , Ln (cid:31)(cid:247)æc g(cid:229)i l(cid:160) c¡c h‹ng sŁ Lipchitz.
ρ : X × X → R,
Cho X l(cid:160) mºt kh(cid:230)ng gian (cid:31)(cid:224)nh chu'n. X†t h(cid:160)m sŁ
x¡c (cid:31)(cid:224)nh b(cid:240)i ρ(x, y) = (cid:107)x−y(cid:107), v(cid:238)i x, y ∈ X. D„ chøng minh (cid:31)(cid:247)æc v(cid:238)i (cid:31)(cid:224)nh
ngh(cid:190)a nh(cid:247) tr¶n th… ρ l(cid:160) mºt metric tr¶n X, g(cid:229)i l(cid:160) metric sinh b(cid:240)i chu'n.
1.1.3 Kh(cid:230)ng gian t‰ch v(cid:230) h(cid:247)(cid:238)ng
Nh(cid:247) v“y, kh(cid:230)ng gian (cid:31)(cid:224)nh chu'n l(cid:160) mºt kh(cid:230)ng gian metric.
Trong phƒn n(cid:160)y, ta lu(cid:230)n coi tr(cid:247)(cid:237)ng v(cid:230) h(cid:247)(cid:238)ng F ho(cid:176)c l(cid:160) tr(cid:247)(cid:237)ng sŁ
th(cid:252)c R, ho(cid:176)c l(cid:160) tr(cid:247)(cid:237)ng sŁ phøc C.
(cid:30)(cid:224)nh ngh(cid:190)a 1.4. Kh(cid:230)ng gian t‰ch v(cid:230) h(cid:247)(cid:238)ng l(cid:160) kh(cid:230)ng gian v†ct(cid:236) X tr¶n
(cid:104)., .(cid:105) : X × X → F
tr(cid:247)(cid:237)ng F (cid:31)(cid:247)æc trang b(cid:224) mºt t‰ch v(cid:230) h(cid:247)(cid:238)ng, tøc l(cid:160) mºt ¡nh x⁄
th(cid:228)a m¢n ba t‰nh ch§t sau v(cid:238)i m(cid:229)i x, y, z ∈ X v(cid:160) a ∈ F
(i) X¡c (cid:31)(cid:224)nh d(cid:247)(cid:236)ng: (cid:104)x, x(cid:105) ≥ 0 v(cid:160) (cid:104)x, x(cid:105) = 0 ⇔ x = 0.
(cid:104)ax, y(cid:105) = a (cid:104)x, y(cid:105)
(cid:104)x, y + z(cid:105) = (cid:104)x, y(cid:105) + (cid:104)x, z(cid:105) .
10
(ii) T‰nh tuy‚n t‰nh
(cid:104)x, y(cid:105) = (cid:104)y, x(cid:105).
1.2 L(cid:254) thuy‚t v• ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p sai ph¥n
(iii) Li¶n hæp (cid:31)Łi xøng
Ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:247)(cid:238)i hay cÆn g(cid:229)i l(cid:160) ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p sai ph¥n (cid:31)(cid:247)æc ¡p d(cid:246)ng
rºng r¢i tr¶n nhi•u l(cid:190)nh v(cid:252)c khoa h(cid:229)c, k(cid:255) thu“t. Nºi dung ch‰nh cıa n(cid:226)
l(cid:160) (cid:31)(cid:247)a b(cid:160)i to¡n vi ph¥n (cid:31)ang x†t v• gi£i h» ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh sai ph¥n (tøc l(cid:160)
h» thøc ho(cid:176)c c¡c h» thøc li¶n h» c¡c gi¡ tr(cid:224) cıa h(cid:160)m sŁ t⁄i c¡c th(cid:237)i (cid:31)i”m
1.2.1 C(cid:230)ng thøc Taylor
kh¡c nhau) b‹ng c¡c ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p (cid:31)⁄i sŁ.
Gi£ sß u(x, y) l(cid:160) mºt h(cid:160)m sŁ x¡c (cid:31)(cid:224)nh v(cid:160) c(cid:226) c¡c (cid:31)⁄o h(cid:160)m ri¶ng theo c¡c bi‚n (cid:31)‚n c§p m + 1 trong mºt kho£ng Ω ∈ R2 chøa c¡c (cid:31)i”m (x, y)
v(cid:160) (x + h, y + k), trong (cid:31)(cid:226) h, k l(cid:160) c¡c (cid:31)⁄i l(cid:247)æng (cid:31)ı nh(cid:228) c(cid:226) th” d(cid:247)(cid:236)ng hay
¥m. Khi (cid:31)(cid:226) t(cid:247)(cid:236)ng t(cid:252) nh(cid:247) h(cid:160)m 1 bi‚n sŁ, ch(cid:243)ng ta c(cid:226) c(cid:230)ng thøc khai tri”n
+ k
u(x + h, y + k) = u(x, y) + h
∂u ∂y
Taylor nh(cid:247) sau
+
+ · · · + o(hm + km).
1 2!
∂x2 + 2hk
∂2u ∂x∂y
∂u ∂ + k2 ∂2u ∂y2
(1.1) (cid:21) (cid:20) h2 ∂2u
V• m(cid:176)t (cid:254) ngh(cid:190)a to¡n h(cid:229)c t‰nh to¡n th… c(cid:230)ng thøc Taylor, gi¡ tr(cid:224) cıa h(cid:160)m
sŁ t⁄i (cid:31)i”m (x + h, y + k) s‡ (cid:31)(cid:247)æc (cid:31)(cid:247)æc t‰nh qua c¡c gi¡ tr(cid:224) h(cid:160)m v(cid:160) c¡c
(cid:31)⁄o h(cid:160)m ri¶ng c¡c c§p t⁄i (cid:31)i”m (x, y). N‚u ch(cid:243)ng ta giœ (cid:31)‚n sŁ h⁄ng chøa
c¡c (cid:31)⁄o h(cid:160)m c§p m th… k‚t qu£ t‰nh to¡n s‡ (cid:31)£m b£o sai sŁ x§p x¿ mºt (cid:31)⁄i l(cid:247)æng v(cid:230) c(cid:242)ng b† l(cid:160) o(hm). Sau (cid:31)¥y lu“n v«n s‡ (cid:31)(cid:247)a ra mºt sŁ k‚t qu£ khi
11
x“y d(cid:252)ng c¡c ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p sai ph¥n d(cid:252)a tr¶n c(cid:230)ng thøc Taylor.
1.2.2 C¡c ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p sai ph¥n v(cid:160) (cid:31)⁄o h(cid:160)m v(cid:238)i (cid:31)º ch‰nh x¡c c§p hai
L(cid:247)(cid:238)i sai ph¥n
−∆u = f, x ∈ Ω
X†t b(cid:160)i to¡n
u = g,
x ∈ ∂Ω,
(1.2)
trong (cid:31)(cid:226) Ω = {(x, y) ∈ R2, a ≤ x ≤ b, c ≤ y ≤ d}, ch(cid:229)n hai sŁ
k = (d − c)/M g(cid:229)i l(cid:160) b(cid:247)(cid:238)c l(cid:247)(cid:238)i theo y. (cid:30)(cid:176)t xi = a + ih, yj = c + jh,
i = 0, . . . , N , j = 0, . . . , M . MØi (cid:31)i”m (xi, yj) g(cid:229)i l(cid:160) mºt n(cid:243)t l(cid:247)(cid:238)i k(cid:254) hi»u
nguy¶n N > 1 v(cid:160) M > 1, (cid:31)(cid:176)t h = (b − a)/N g(cid:229)i l(cid:160) b(cid:247)(cid:238)c l(cid:247)(cid:238)i theo x,
l(cid:160) n(cid:243)t (i, j). T“p hæp t§t c£ c¡c n(cid:243)t trong k(cid:254) hi»u l(cid:160) Ωhk. N(cid:243)t (cid:240) tr¶n bi¶n Γ
g(cid:229)i l(cid:160) n(cid:243)t bi¶n; t“p t§t c£ c¡c n(cid:243)t bi¶n k(cid:254) hi»u l(cid:160) Γhk, t“p Ωhk = Ωhk ∪ Γhk
g(cid:229)i l(cid:160) mºt l(cid:247)(cid:238)i sai ph¥n tr¶n Ω.
H(cid:160)m l(cid:247)(cid:238)i
MØi h(cid:160)m sŁ x¡c (cid:31)(cid:224)nh t⁄i c¡c n(cid:243)t cıa l(cid:247)(cid:238)i g(cid:229)i l(cid:160) mºt h(cid:160)m l(cid:247)(cid:238)i, gi¡ tr(cid:224) cıa
h(cid:160)m l(cid:247)(cid:238)i u(x, y) t⁄i n(cid:243)t l(cid:247)(cid:238)i (i, j) vi‚t t›t l(cid:160) ui,j. MØi h(cid:160)m u(i, j) x¡c (cid:31)(cid:224)nh
t⁄i m(cid:229)i (x, y) ∈ Ω t⁄o ra h(cid:160)m l(cid:247)(cid:238)i u x¡c (cid:31)(cid:224)nh b(cid:240)i ui,j.
B(cid:160)i to¡n sai ph¥n
Sß d(cid:246)ng c(cid:230)ng thøc Taylor trong tr(cid:247)(cid:237)ng hæp 2 bi‚n sŁ, ch(cid:243)ng ta thu (cid:31)(cid:247)æc
c¡c c(cid:230)ng thøc t‰nh gƒn (cid:31)(cid:243)ng c¡c gi¡ tr(cid:224) (cid:31)⁄o h(cid:160)m t⁄i c¡c n(cid:243)t l(cid:247)(cid:238)i (i, j) nh(cid:247)
=
(ui+1,j − ui,j) + o(h)
=
(ui,j+1 − ui,j) + o(k)
=
+ o(h2)
=
+ o(k2).
∂u ∂x ∂u ∂y ∂2u ∂x2 ∂2u ∂y2
1 h 1 k ui+1,j − 2ui,j + ui−1,j h2 ui,j+1 − 2ui,j + ui,j−1 k2
sau
12
(cid:12) (cid:12) (cid:12) (cid:12)(i,j) (cid:12) (cid:12) (cid:12) (cid:12)(i,j) (cid:12) (cid:12) (cid:12) (cid:12)(i,j) (cid:12) (cid:12) (cid:12) (cid:12)(i,j)
+
.
(cid:30)(cid:176)t
∆hku ≡
ui+1,j − 2ui,j + ui−1,j h2
ui,j+1 − 2ui,j + ui,j−1 k2
(1.3)
∆hku = ∆u + o(h2 + k2).
Khi (cid:31)(cid:226), chøng t(cid:228)
SŁ h⁄ng o(h2 + k2) l(cid:160) mºt v(cid:230) c(cid:242)ng b† b“c hai. Ta n(cid:226)i to¡n tß ∆hk x§p x¿ to¡n tß ∆, (cid:31)i•u (cid:31)(cid:226) cho ph†p thay ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh vi ph¥n b‹ng ph(cid:247)(cid:236)ng
∆hku = fij, fij = f (xi, yj), (xi, yj) ∈ Ωhk,
tr…nh sai ph¥n
+
= fi,j,
(i, j) ∈ Ωhk, (1.4)
ui+1,j − 2ui,j + ui+1,j h2
ui,j+1 − 2ui,j + ui,j−1 k2
tøc l(cid:160)
(cid:31)(cid:231)ng th(cid:237)i thay (cid:31)i•u ki»n bi¶n b‹ng (cid:31)i•u ki»n
uij = g(xi, yj),
(xi, yj) ∈ Γhk.
(1.5)
Ta (cid:31)(cid:247)æc b(cid:160)i to¡n sai ph¥n ho(cid:160)n ch¿nh: t…m h(cid:160)m l(cid:247)(cid:238)i u t⁄i c¡c n(cid:243)t (i, j)
th(cid:228)a m¢n h» ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh sai ph¥n (1.4) v(cid:238)i c¡c (cid:31)i•u ki»n bi¶n (1.5). Nh(cid:247)
v“y vi»c t…m nghi»m x§p x¿ cıa b(cid:160)i to¡n vi ph¥n v(cid:238)i (cid:31)º ch‰nh x¡c c§p hai
(cid:31)(cid:247)æc (cid:31)(cid:247)a v• vi»c gi£i b(cid:160)i to¡n sai ph¥n (1.4) v(cid:238)i (cid:31)i•u ki»n (1.5) b‹ng c¡c
ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p (cid:31)⁄i sŁ.
Nh“n x†t 1.1. (i) H» ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh sai ph¥n v(cid:238)i (cid:31)i•u ki»n bi¶n (1.5)
ho(cid:176)c c¡c h» (cid:31)i•u ki»n bi¶n d⁄ng Dirichlet t(cid:247)(cid:236)ng øng trong mi•n chœ
nh“t [a, b] × [c, d] th(cid:230)ng qua c¡c ph†p bi‚n (cid:31)Œi s(cid:236) c§p s‡ (cid:31)(cid:247)æc bi”u
− Yj−1 + CYj − Yj+1 = Fj;
di„n d(cid:247)(cid:238)i d⁄ng c¡c h» ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh vect(cid:236) 3 (cid:31)i”m d⁄ng
Y0 = F0, YN = Fn, j = 1, N − 1,
(1.6)
(F0,j, F1,j, . . . , Fn,j) l(cid:160) c¡c v†ct(cid:236) v‚ ph£i, C = (ci,j)N ×N l(cid:160) ma tr“n
trong (cid:31)(cid:226) k(cid:254) hi»u Yj = (u0,j, u1,j, . . . , uN,j) l(cid:160) c¡c v†ct(cid:236) nghi»m, Fj =
13
h» sŁ cıa h» d⁄ng 3 (cid:31)(cid:247)(cid:237)ng ch†o trºi.
(ii) (cid:30)” gi£i (cid:31)(cid:247)æc b(cid:160)i to¡n (1.6) b‹ng ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p sŁ, (cid:31)i•u quan tr(cid:229)ng
nh§t l(cid:160) ta ph£i x¡c (cid:31)(cid:224)nh (cid:31)(cid:247)æc thu“t to¡n nhanh gi£i c¡c h» ph(cid:247)(cid:236)ng
tr…nh v†ctor ba (cid:31)i”m (1.6) l(cid:160) c¡c h» ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh (cid:31)⁄i sŁ tuy‚n t‰nh.
(iii) C(cid:226) nhi•u ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p kh¡c nhau (cid:31)” gi£i (cid:31)(cid:247)æc c¡c h» tr¶n. Tuy nhi¶n
do t‰nh ch§t (cid:31)(cid:176)c bi»t cıa h», ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p thu g(cid:229)n khŁi l(cid:247)æng t‰nh
O(M N log N ) s‡ (cid:31)(cid:247)æc sß d(cid:246)ng (cid:31)” x¥y d(cid:252)ng th(cid:247) vi»n sŁ.
1.2.3 C¡c ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p sai ph¥n v(cid:160) (cid:31)⁄o h(cid:160)m v(cid:238)i (cid:31)º ch‰nh x¡c c§p bŁn
to¡n cıa Samarskij (cid:21) Nicolaev (cid:31)• xu§t [7] v(cid:238)i (cid:31)º phøc t⁄p t‰nh to¡n
L(cid:247)æc (cid:31)(cid:231) sai ph¥n
u(x + h, y) = u(x, y) + h
+
u(x − h, y) = u(x, y) − h
+
∂u ∂x ∂u ∂x
h2 2 h2 2
∂2u ∂x2 + ∂2u ∂x2 −
h3 6 h3 6
∂3u ∂x3 + ∂3u ∂x3 +
h4 24 h4 24
∂4u ∂x4 + · · · + O(h6) ∂4u ∂x4 + · · · + O(h6) (1.7)
−
−
u(x + h, y) − 2u(x, y) + u(x − h, y) h2 u(x, y + k) − 2u(x, y) + u(x, y − k) k2
h2 12 k2 12
∂4u ∂x4 + O(h4) ∂4u ∂y4 + O(k4)
Ch(cid:243)ng ta x†t c(cid:230)ng thøc khai tri”n Taylor tŒng qu¡t
+
−
ui,j+1 − 2ui,j + ui,j−1 k2 ∂4u ∂y4 + O(h4 + k4).
h2 12
k2 12
ui+1,j − 2ui,j + ui−1,j h2 ∂4u ∂x4 − Xu§t ph¡t tł ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh eliptic c§p hai ∂2u ∂x2 +
∂2u ∂y2 − cu(x, y) = −f (x, y).
Tł (1.7), ta suy ra ∂2u ∂x2 = ∂2u ∂y2 = ∆u =
∂x4 + h2 ∂4u h2 ∂4u k2 ∂4u ∂y4 + k2 ∂4u
∂x2∂y2 = −h2 ∂2f ∂x2∂y2 = −k2 ∂2f
∂x2 + h2c ∂y2 + k2c
∂2u ∂x2 , ∂2u ∂y2 .
14
Ta c(cid:226)
∆u.
k2 12
∂4u ∂y4 = −
h2 + k2 12
∂4u ∂x2∂y2 −
h2 12
∂2f ∂x2 −
k2 12
∂2f ∂y2 + c
(h2 + k2) 12
Suy ra ∂4u h2 ∂x4 + 12
Tł c¡c k‚t qu£ tr¶n, ta thu (cid:31)(cid:247)æc c(cid:230)ng thøc khai tri”n Taylor v(cid:238)i (cid:31)º ch‰nh
+
+
∆u =
h2 + k2 2
∂4u ∂x2∂y2
∆u + O(h4 + k4)
= − fi,j −
ui+1,j − 2ui,j + ui−1,j h2 h2 12
∂2f ∂x2 −
k2 12
ui,j+1 − 2ui,j + ui,j−1 k2 h2 + k2 12
∂2f ∂y2 + c
x¡c c§p 4 nh(cid:247) sau
hay
1 − c
h2 + k2 12
(cid:18)
+
+
1 − c
h2 + k2 12
= f (x, y) +
(cid:18)
k2 12
1 − c
(cid:19) ui,j+1 − 2ui,j + ui,j−1 k2 h2 12
∂2f ∂x2 + ∂2f ∂y2 , c1 = 1/
h2 12
∂2f ∂x2 +
k2 12
(cid:30)(cid:176)t ¯f (x, y) = f (x, y) + , ta thu (cid:19) ui+1,j − 2ui,j + ui−1,j h2 h2 + k2 ∂4u ∂x2∂y2 12 ∂2f ∂y2 + O(h4 + k4). (cid:19) (cid:18) h2 + k2 12
+
u(i − 1, j) − 2u(i, j) + u(i + 1, j) h2
u(i, j − 1) − 2u(i, j) + u(i, j + 1) k2
¯f (i, j) + O(h4 + k4).
+c1
h2 + k2 12
∂4u ∂x2∂y2 = −c1
(cid:31)(cid:247)æc l(cid:247)æc (cid:31)(cid:231) sai ph¥n
+ O(h2)
∂2u ∂x2 =
u(i − 1, j) − 2u(i, j) + u(i + 1, j) h2
V…
∂4u ∂x2∂y2 =
h2 + k2 12h2k2 (u(i − 1, j − 1) − 2u(i, j − 1) + u(i + 1, j − 1) −2(u(i − 1, j) − 2u(i, j) + u(i + 1, j))
+u(i − 1, j + 1) − 2u(i, j + 1) + u(i + 1, j + 1) + O(h4 + k4). (1.8)
15
do (cid:31)(cid:226) h2 + k2 12
+
u(i, j − 1) − 2u(i, j) + u(i, j − 1) k2
+c1
u(i − 1, j) − 2u(i, j) + u(i + 1, j) h2 h2 + k2 12h2k2 (u(i − 1, j − 1) − 2u(i, j − 1) + u(i + 1, j − 1) −2(u(i − 1, j) − 2u(i, j) + u(i + 1, j))
+u(i − 1, j + 1) − 2u(i, j + 1) + u(i + 1, j + 1))
¯f (i, j),
0 ≤ i ≤ M, 0 ≤ j ≤ N.
= −c1
Ta thu (cid:31)(cid:247)æc l(cid:247)æc (cid:31)(cid:231) sai ph¥n nh(cid:247) sau
k2 h2 , R = c1 tr…nh sai ph¥n (1.9), ta thu (cid:31)(cid:247)æc h» ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh v†ct(cid:236) 3 (cid:31)i”m
1 ≤ j ≤ N − 1,
−BYj−1 + AYj − BYj+1 = Fj,
Sß d(cid:246)ng c¡c k(cid:254) hi»u r = (1.9) h2 + k2 12h2 , d = 2(1 + r). Tł h» ph(cid:247)(cid:236)ng
Y0 = F0, YN = FN ,
(1.10)
trong (cid:31)(cid:226)
1 − 2R
R
0
0
. . .
0
1 − 2R
R
R
0
. . .
0
0
1 − 2R
R
0
R
B =
. . . . . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
0
. . . R 1 − 2R R
0
0
. . .
. . .
R 1 − 2R
0
2(1 + r) − 4R
. . .
0
0
−2 + 2R
2(1 + r) − 4R
. . .
0
A =
. . .
0
. . .
2(1 + r) − 4R
−r + 2R
−r + 2R
2(1 + r) − 4R
16
T
k2(c1
¯f (1, j) + Rg(0, j − 1) + (r − 2R)g(0, j) + R(0, j + 1) ¯f (1, j)
k2c1
Fj =
k2c1
. . . ¯f (1, j) ¯f (M − 1, j) + Rg(M, j − 1) + (r − 2R)g(M, j) + Rg(M, j + 1))
k2(c1
F0 =(u(1, 0)u(2, 0), . . . , u(M − 1, 0)),
FN =(u(1, N ), u(2, N ), . . . , u(M − 1, N )).
1 ≤ j ≤ N − 1,
−BYj−1 + AYj − BYj+1 = Fj,
Y0 = F0, YN = FN .
1 ≤ j ≤ N − 1
−Yj−1 + CYj − Yj+1 = Φ,
X†t h»
Y0 = Φ0, YN = ΦN , C = B−1A, Φj = B−1Fj.
Nh¥n hai v‚ v(cid:238)i B−1 (1.11)
Nh“n x†t 1.2. Ma tr“n C trong (1.11) kh(cid:230)ng ph£i l(cid:160) ma tr“n 3 (cid:31)(cid:247)(cid:237)ng
ch†o trºi, do (cid:31)(cid:226) kh(cid:230)ng th” ¡p d(cid:246)ng thu“t to¡n thu g(cid:229)n khŁi l(cid:247)æng t‰nh
to¡n tr(cid:252)c ti‚p (cid:31)(cid:247)æc.
(2l − 1)π
2k (cid:89)
2k (cid:89)
(C − 2 cos
C (k) =
Cl,k,
2k+1 E) =
l=1
l=1
X†t h» thøc
(2l − 1)π
2k (cid:89)
C (k) =
B−1(A − 2 cos
2k+1 B).
l=1
v… C = B−1A n¶n ta c(cid:226)
X†t h» ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh
(2l − 1)π
2k (cid:89)
C (k)ϕF ⇔
B−1(A − 2 cos
2k+1 B)
l=1
17
ϕ = F
(2l − 1)π
2k (cid:89)
(A − 2 cos
2k+1 B)ϕ = BF.
l=1
hay
ϕ0 = BF
(2l − 1)π
(A − 2 cos
2k+1 B)ϕ1 = ϕ0, . . .
(2l − 1)π
(A − 2 cos
2k+1 B)ϕk = ϕk−1.
(2l − 1)π
H» ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh tr¶n c(cid:226) th” gi£i (cid:31)(cid:247)æc b‹ng thu“t to¡n (cid:31)» quy
2k+1 B) l(cid:160) ma tr“n 3 (cid:31)(cid:247)(cid:237)ng ch†o trºi, do (cid:31)(cid:226) c¡c h» tr¶n v¤n gi£i (cid:31)(cid:247)æc b‹ng thu“t to¡n
Do A, B l(cid:160) c¡c ma tr“n 3 (cid:31)(cid:247)(cid:237)ng ch†o n¶n (A − 2 cos
truy (cid:31)uŒi 3 (cid:31)(cid:247)(cid:237)ng ch†o v(cid:238)i (cid:31)º phøc t⁄p t‰nh to¡n l(cid:160) O(N ), tøc l(cid:160) thu“t
to¡n v(cid:238)i (cid:31)º ch‰nh x¡c c§p 4 v¤n th(cid:252)c hi»n (cid:31)(cid:247)æc b‹ng thu“t to¡n thu g(cid:229)n
khŁi l(cid:247)æng v(cid:238)i (cid:31)º phøc t⁄p O(M N log N ).
Sß d(cid:246)ng ng(cid:230)n ngœ l“p tr…nh Matlab, trong c(cid:230)ng tr…nh [2] (cid:31)¢ (cid:31)(cid:247)a ra
th(cid:247) vi»n sŁ RC2009 t…m nghi»m sŁ v(cid:238)i (cid:31)º ch‰nh x¡c c§p hai cho b(cid:160)i to¡n
bi¶n elliptic c§p hai. C¡c k‚t qu£ ki”m tra th(cid:247) vi»n sŁ (cid:31)(cid:247)æc (cid:31)(cid:247)a ra trong
1 + x6 2
L(cid:247)(cid:238)i chia ud = sin x1 sin x2 16 × 16
B£ng 1.1: Sai sŁ t(cid:247)(cid:236)ng øng v(cid:238)i c¡c l(cid:247)(cid:238)i chia v(cid:160) h(cid:160)m nghi»m (cid:31)(cid:243)ng ud = ex1+x2 1.39 × e − 4
ud = ex1 cos x2 ud = x6 4.34 × e − 5
1.18 × e − 5
0.005
32 × 32
2.97 × e − 6
3.50 × e − 5
1.09 × e − 5
0.0014
64 × 64
7.44 × e − 7
8.78 × e − 6
2.73 × e − 6
3.44 × e − 4
128 × 128
1.86 × e − 7
2.19 × e − 6
6.82 × e − 7
8.61 × e − 5
256 × 256
1.65 × e − 8
5.49 × e − 7
1.70 × e − 7
2.15 × e − 5
B£ng 1.1
C¡c k‚t qu£ t‰nh to¡n sŁ chøng t(cid:228) ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p sai ph¥n (cid:31)£m b£o
(cid:31)º ch‰nh x¡c b“c hai.
Trong c(cid:230)ng tr…nh [2] (cid:31)¢ (cid:31)(cid:247)a ra c¡c h(cid:160)m t…m nghi»m sŁ v(cid:238)i (cid:31)º ch‰nh
18
x¡c c§p bŁn cho b(cid:160)i to¡n bi¶n elliptic c§p hai. C¡c k‚t qu£ ki”m tra th(cid:247)
L(cid:247)(cid:238)i chia ud = sin x1 sin x2 16 × 16
B£ng 1.2: Sai sŁ t(cid:247)(cid:236)ng øng v(cid:238)i c¡c l(cid:247)(cid:238)i chia v(cid:160) h(cid:160)m nghi»m (cid:31)(cid:243)ng ud = ex1+x2 1.82 × e − 8
ud = ex1 cos x2 15 × e − 12
1.55 × e − 9
1 + x6 ud = x6 2 6.74 × e − 6
32 × 32
9.71 × e − 11
1.14 × e − 9
4.19 × e − 14
4.21 × e − 7
64 × 64
6.06 × e − 12
7.15 × e − 11
2.46 × e − 14
2.63 × e − 8
128 × 128
3.45 × e − 13
5.22 × e − 12
4.22 × e − 13
1.64 × e − 9
256 × 256
2.12 × e − 13
2.83 × e − 12
1.22 × e − 12
1.02 × e − 10
vi»n sŁ (cid:31)(cid:247)æc (cid:31)(cid:247)a ra trong B£ng 1.2
C¡c k‚t qu£ t‰nh to¡n sŁ chøng t(cid:228) ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p sai ph¥n (cid:31)£m b£o
(cid:31)º ch‰nh x¡c b“c bŁn. C¡c th(cid:247) vi»n ch(cid:247)(cid:236)ng tr…nh tr¶n s‡ (cid:31)(cid:247)æc sß d(cid:246)ng (cid:31)”
19
c(cid:160)i (cid:31)(cid:176)t t§t c£ c¡c thu“t to¡n (cid:31)(cid:247)a ra trong c¡c ch(cid:247)(cid:236)ng sau cıa lu“n v«n.
Ch(cid:247)(cid:236)ng 2
Ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:176)p gi£i b(cid:160)i to¡n tam
(cid:31)i•u hÆa phi tuy‚n
Nºi dung ch‰nh cıa ch(cid:247)(cid:236)ng 2 s‡ tr…nh b(cid:160)y mºt sŁ k‚t qu£ khi nghi¶n
cøu c¡c ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p t…m nghi»m gƒn (cid:31)(cid:243)ng (cid:31)Łi v(cid:238)i c¡c b(cid:160)i to¡n d⁄ng tam
(cid:31)i•u hÆa v(cid:238)i v‚ ph£i l(cid:160) h(cid:160)m phi tuy‚n ph(cid:246) thuºc v(cid:160)o h(cid:160)m v(cid:160) (cid:31)⁄o h(cid:160)m cıa
h(cid:160)m cƒn t…m, h» (cid:31)i•u ki»n bi¶n d⁄ng Dirichlet ho(cid:176)c Neuman. C¡c k‚t qu£
2.1 B(cid:160)i to¡n bi¶n tam (cid:31)i•u hÆa v(cid:238)i (cid:31)i•u ki»n bi¶n Dirichlet
l(cid:254) thuy‚t (cid:31)(cid:247)æc tham kh£o trong c¡c t(cid:160)i li»u [3, 4].
Trong phƒn n(cid:160)y, ch(cid:243)ng s‡ x†t b(cid:160)i to¡n tam (cid:31)i•u hÆa d⁄ng tŒng qu¡t
∆3u(x) = f (x),
x ∈ Ω
sau (cid:31)¥y
x ∈ ∂Ω,
u(x) = g1, ∆u(x) = g2, ∆2u(x) = g3,
f, g1, g2, g3 l(cid:160) c¡c h(cid:160)m sŁ li¶n t(cid:246)c theo c¡c bi‚n tr¶n mi•n x¡c (cid:31)(cid:224)nh. Ch(cid:243)ng
trong (cid:31)(cid:226) Ω l(cid:160) mºt mi•n b(cid:224) ch(cid:176)n trong kh(cid:230)ng gian Rn v(cid:238)i bi¶n ∂Ω (cid:31)ı tr(cid:236)n,
ta s‡ nghi¶n cøu s(cid:252) t(cid:231)n t⁄i duy nh§t nghi»m cıa b(cid:160)i to¡n c(cid:244)ng nh(cid:247) c¡c
20
ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p t…m nghi»m x§p x¿ th(cid:230)ng qua ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p sŁ.
2.1.1 B(cid:160)i to¡n bi¶n v(cid:238)i (cid:31)i•u ki»n bi¶n thuƒn nh§t
∆3u(x) = f (x, u, ∆u, ∆2u),
x ∈ Ω,
X†t b(cid:160)i to¡n bi¶n tam (cid:31)i•u hÆa v(cid:238)i (cid:31)i•u ki»n bi¶n thuƒn nh§t
∆2u = ∆u = u = 0,
x ∈ ∂Ω,
(2.1)
trong (cid:31)(cid:226) Ω l(cid:160) mºt mi•n b(cid:224) ch(cid:176)n trong kh(cid:230)ng gian Rn v(cid:238)i bi¶n ∂Ω (cid:31)ı tr(cid:236)n, (cid:31)(cid:247)a v(cid:160)o c¡c k‰ hi»u v = ∆u(x), w = ∆2u(x). Gi£ thi‚t f (x, u, v, w) l(cid:160)
mºt h(cid:160)m li¶n t(cid:246)c theo c¡c bi‚n (x, u, v, w) trong mºt mi•n gi(cid:238)i nºi D.
Hi”n nhi¶n, n‚u f l(cid:160) h(cid:160)m ch¿ ph(cid:246) thuºc v(cid:160)o x th… b(cid:160)i to¡n c(cid:226) dang (cid:31)(cid:236)n
gi£n v(cid:160) vi»c t…m nghi»m c(cid:226) th” nh“n (cid:31)(cid:247)æc b‹ng c¡c c(cid:230)ng c(cid:246) l(cid:254) thuy‚t gi£i
t‰ch. Tuy nhi¶n, do f l(cid:160) h(cid:160)m phi tuy‚n n¶n c¡c c(cid:230)ng c(cid:246) gi£i t‰ch l(cid:160) kh(cid:230)ng
th(cid:252)c hi»n (cid:31)(cid:247)æc. Do (cid:31)(cid:226) ng(cid:247)(cid:237)i ta th(cid:247)(cid:237)ng t…m nghi»m x§p x¿ cıa b(cid:160)i to¡n
b‹ng c¡ch x§y d(cid:252)ng c¡c s(cid:236) (cid:31)(cid:231) l(cid:176)p.
Sau (cid:31)¥y ch(cid:243)ng ta s‡ nghi¶n cøu s(cid:252) t(cid:231)n t⁄i duy nh§t nghi»m cıa b(cid:160)i
to¡n (2.1) d(cid:252)a tr¶n l(cid:254) thuy‚t to¡n tß.
S(cid:252) t(cid:231)n t⁄i duy nh§t nghi»m
(Aϕ)(x) = f (x, u(x), v(x), w(x)),
(cid:30)(cid:247)a to¡n tß A (cid:31)(cid:247)æc x¡c (cid:31)(cid:224)nh b(cid:240)i c(cid:230)ng thøc
∆3u = ϕ(x),
x ∈ Ω
(2.2)
u = ∆u = ∆2u = 0,
x ∈ ∂Ω,
trong (cid:31)(cid:226), u(x) l(cid:160) nghi»m cıa b(cid:160)i to¡n (2.3)
v(cid:238)i ϕ l(cid:160) mºt h(cid:160)m li¶n t(cid:246)c trong Ω.
ϕ(x) th(cid:230)ng qua to¡n tß A (cid:31)(cid:247)æc (cid:31)(cid:247)a ra trong bŒ (cid:31)• sau (cid:31)¥y.
Khi (cid:31)(cid:226) quan h» giœa nghi»m u(x) cıa b(cid:160)i to¡n tam (cid:31)i•u hÆa v(cid:160) h(cid:160)m
BŒ (cid:31)• 2.1. H(cid:160)m ϕ(x) l(cid:160) mºt (cid:31)i”m b§t (cid:31)ºng cıa to¡n tß A, tøc ϕ(x) l(cid:160)
mºt nghi»m cıa ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh to¡n tß Aϕ = ϕ, khi v(cid:160) ch¿ khi u(x) (cid:31)(cid:247)æc
21
x¡c (cid:31)(cid:224)nh tł b(cid:160)i to¡n bi¶n (2.3) l(cid:160) nghi»m cıa b(cid:160)i to¡n bi¶n (2.1).
(cid:136) (cid:30)i•u ki»n cƒn: Gi£ sß u(x) l(cid:160) nghi»m cıa b(cid:160)i to¡n (2.3). Hi”n nhi¶n, theo c¡ch x¡c (cid:31)(cid:224)nh cıa ϕ(x) v(cid:160) to¡n tß A suy ra ϕ(x) l(cid:160) (cid:31)i”m b§t
Chøng minh.
(cid:136) (cid:30)i•u ki»n (cid:31)ı: Gi£ sß ϕ(x) l(cid:160) (cid:31)i”m b§t (cid:31)ºng cıa to¡n tß A. Khi (cid:31)(cid:226), hi”n nhi¶n theo c¡ch x¡c (cid:31)(cid:224)nh to¡n tß A suy ra ϕ(x) = f (x, u, v, w),
(cid:31)ºng cıa to¡n tß A.
tøc l(cid:160) u(x) l(cid:160) nghi»m cıa b(cid:160)i to¡n (2.3).
(cid:3)
Nh“n x†t 2.1. Tł nºi dung cıa bŒ (cid:31)• tr¶n, ch(cid:243)ng ta th§y r‹ng t‰nh ch§t
cıa nghi»m (cid:31)Łi v(cid:238)i b(cid:160)i to¡n (2.3) s‡ ho(cid:160)n to(cid:160)n ph(cid:246) thuºc v(cid:160)o t‰nh ch§t
cıa to¡n tß A.
Sau (cid:31)¥y ch(cid:243)ng ta s‡ nghi¶n cøu t‰nh ch§t cıa to¡n tß A.
−∆u = f (x), x ∈ Ω,
BŒ (cid:31)• 2.2. (cid:30)Łi v(cid:238)i nghi»m cıa b(cid:160)i to¡n bi¶n
u = 0, x ∈ ∂Ω
|u(x)|, CΩ =
ρn 2n v(cid:238)i ρ l(cid:160)
c(cid:226) (cid:31)¡nh gi¡ (cid:107)u(cid:107) ≤ CΩ(cid:107)f (cid:107), trong (cid:31)(cid:226) (cid:107)u(cid:107) = max x∈Ω
b¡n k‰nh cıa h…nh cƒu chøa Ω.
Vi»c chøng minh bŒ (cid:31)• (cid:31)¢ (cid:31)(cid:247)æc (cid:31)(cid:247)a ra trong [4]. Hi”n nhi¶n, trong
. Gi£ sß, v(cid:238)i M l(cid:160) mºt sŁ d(cid:247)(cid:236)ng n(cid:160)o k‰nh R = 1 th… d„ th§y h» sŁ CΩ =
DM = {(x, u, v, w)| x ∈ Ω, |u| ≤ C 3
ΩM, |v| ≤ C 2
ΩM, |w| ≤ CΩM }.
tr(cid:247)(cid:237)ng hæp kh(cid:230)ng gian (cid:31)ang x†t l(cid:160) kh(cid:230)ng gian 2 chi•u v(cid:160) h…nh cƒu c(cid:226) b¡n 1 8 (cid:31)(cid:226), ta (cid:31)(cid:224)nh ngh(cid:190)a mi•n DM nh(cid:247) sau:
(cid:30)(cid:224)nh l(cid:254) 2.1. Gi£ sß t(cid:231)n t⁄i c¡c sŁ M > 0, L1, L2, L3 ≥ 0 sao cho
22
(i) |f (x, u, v, w)| ≤ M v(cid:238)i m(cid:229)i (x, u, v, w) ∈ DM .
L3|w2 − w1| v(cid:238)i m(cid:229)i (x, ui, vi, wi) ∈ DM , i = 1, 2.
(ii) |f (x2, u2, v2, w2) − f (x1, u1, v1, w1)| ≤ L1|u2 − u1| + L2|v2 − v1| +
Ω + L2CΩ + L3)CΩ < 1.
(iii) q = (L1C 2
(cid:107)u(cid:107) ≤ C 3
ΩM, (cid:107)∆u(cid:107) ≤ C 2
ΩM, (cid:107)∆2u(cid:107) ≤ CΩM.
Khi (cid:31)(cid:226), b(cid:160)i to¡n (2.1) c(cid:226) duy nh§t nghi»m u(x) th(cid:228)a m¢n
Chøng minh. V… to¡n tß A (cid:31)(cid:247)æc x¡c (cid:31)(cid:224)nh b(cid:240)i (2.2), do (cid:31)(cid:226) tł gi£ thi‚t (i)
{ϕ ∈ C(Ω)| (cid:107)ϕ(cid:107) ≤ M } v(cid:160)o ch‰nh n(cid:226).
cıa (cid:30)(cid:224)nh l(cid:254) 2.1 c(cid:226) th” chøng t(cid:228) (cid:31)(cid:247)æc r‹ng A ¡nh x⁄ h…nh cƒu B[0, M ] =
Do A th(cid:228)a m¢n (cid:31)i•u ki»n Lipchitz (cid:240) gi£ thi‚t (ii) v(cid:160) (cid:31)i•u ki»n co (cid:240)
gi£ thi‚t (iii) cıa (cid:31)(cid:224)nh l(cid:254) n(cid:160)y. Do (cid:31)(cid:226), hi”n nhi¶n A l(cid:160) ¡nh x⁄ co. Tł (cid:31)(cid:226)
ϕ ∈ B[0, M ] cıa to¡n tß A. V… v“y theo BŒ (cid:31)• 2.1 th… b(cid:160)i to¡n (2.1) c(cid:226) (cid:3)
theo (cid:31)(cid:224)nh l(cid:254) (cid:31)i”m b§t (cid:31)ºng Banach, t(cid:231)n t⁄i duy nh§t mºt (cid:31)i”m b§t (cid:31)ºng
nghi»m duy nh§t t(cid:247)(cid:236)ng øng.
∆3u = −π4 sin πx1 + (∆u)2 − u∆2u + sin(∆2u − ∆2u∗), x ∈ Ω,
V‰ d(cid:246) 2.1. X†t b(cid:160)i to¡n bi¶n
u = ∆u = ∆2u = 0, x ∈ ∂Ω,
trong (cid:31)(cid:226), Ω = (0, 1) × (0, 1), x = (x1, x2). C(cid:226) th” th§y nghi»m ch‰nh x¡c 1 cıa b(cid:160)i to¡n l(cid:160) u∗ = 8π2 sin πx1 sin πx2. Ta ki”m tra c¡c (cid:31)i•u ki»n cıa
f = (cid:107)f (cid:107) ≤ π4 + (cid:107)v(cid:107)2 + (cid:107)u(cid:107)(cid:107)w(cid:107) + 1 ≤ π4 + 1 +
≤ M.
M 2 84 +
M 3 83 ×
M 8
(cid:30)(cid:224)nh l(cid:254) 2.1, ta c(cid:226)
2 84 M 2−M = π4+1 ≤ 0 ⇔ M1 ≤ M ≤ M2, M1 = 207, 3108, M2 = 3888, 7.
23
Tł (cid:31)(cid:226), M cƒn th(cid:228)a m¢n
(cid:107)f (x1, x2, u2, v2, w2) − f (x1, x2, u1, v1, w1)(cid:107)
≤ (cid:107)v1
2 − v2
1 − (u2w2 − u1w1) + sin(w2 − ∆2u∗) − sin(w1 − ∆2u∗)(cid:107)
sin
≤ (cid:107)v2 + v1(cid:107)(cid:107)v2 − v1(cid:107) + (cid:107)u2w2 − u2w1 + u2w1 − u1w1(cid:107) + 2
≤ (cid:107)v2 + v1(cid:107)(cid:107)v2 − v1(cid:107) + (cid:107)u2(cid:107)(cid:107)w2 − w1(cid:107) + (cid:107)w1(cid:107)(cid:107)u2 − u1(cid:107) + (cid:107)w2 − w1(cid:107)
≤ (cid:107)w1(cid:107)(cid:107)u2 − u1(cid:107) + ((cid:107)v2(cid:107) + (cid:107)v1(cid:107))(cid:107)v2 − v1(cid:107) + ((cid:107)u2(cid:107) + 1)(cid:107)w2 − w1(cid:107)
(cid:18)w2 − w1 2 (cid:13) (cid:13) (cid:13) (cid:13) (cid:19)(cid:13) (cid:13) (cid:13) (cid:13)
≤
(cid:107)u2 − u1(cid:107) +
(cid:107)w2 − w1(cid:107)
M 8
2M 82 (cid:107)v2 − v1(cid:107) +
83 + 1
= L1(cid:107)u2 − u1(cid:107) + L2(cid:107)v2 − v1(cid:107) + L3(cid:107)w2 − w1(cid:107);
(cid:19) (cid:18)M
M 8
2M 8
M 83 + 1. X†t h‹ng sŁ CΩ =
1 8
. V“y t(cid:231)n t⁄i c¡c sŁ L1 = , L2 = , L3 =
Khi (cid:31)(cid:226),
×
< 1.
+
+
⇔
(cid:18)M
1 8
q = (L1C 2 Ω + L2CΩ + L3)CΩ ≤ 1 1 2M 82 × 8
83 + 1
(cid:18)M 8 (cid:19)(cid:19) 1 8
Suy ra M < 896. Nh(cid:247) v“y, v(cid:238)i c¡ch ch(cid:229)n M th(cid:228)a m¢n nh(cid:247) tr¶n th… c¡c
(cid:31)i•u ki»n cıa (cid:30)(cid:224)nh l(cid:254) 2.1 (cid:31)(cid:247)æc th(cid:228)a m¢n, tøc l(cid:160) b(cid:160)i to¡n tr¶n t(cid:231)n t⁄i duy
nh§t nghi»m.
Ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:176)p t…m nghi»m x§p x¿
∆3u(x) = f (x), x ∈ Ω,
X†t b(cid:160)i to¡n tam (cid:31)i•u hÆa tŒng qu¡t
u(x) = g1(x), ∆u(x) = g2(x), ∆2u(x) = g3(x), x ∈ ∂Ω.
24
B‹ng c¡ch (cid:31)(cid:176)t v = ∆u(x), w = ∆2u(x), d„ th§y r‹ng b(cid:160)i to¡n c§p 6 s‡
∆w = f (x), x ∈ Ω,
(cid:31)(cid:247)æc gi£i b‹ng c¡ch gi£i lƒn l(cid:247)æt 3 b(cid:160)i to¡n c§p hai nh(cid:247) sau
w = g3(x), x ∈ ∂Ω
∆v(x) = w, x ∈ Ω
v = g2(x), x ∈ ∂Ω
∆u(x) = v, x ∈ Ω
u = g1(x), x ∈ ∂Ω.
Nh(cid:247) v“y sß d(cid:246)ng c¡c th(cid:247) vi»n sŁ gi£i c¡c b(cid:160)i to¡n c§p hai, hi”n nhi¶n
ch(cid:243)ng ta c(cid:226) thu (cid:31)(cid:247)æc nghi»m sŁ cıa b(cid:160)i to¡n c§p 6 t(cid:247)(cid:236)ng øng. Ph(cid:247)(cid:236)ng
ph¡p tr¶n th(cid:247)(cid:237)ng (cid:31)(cid:247)æc g(cid:229)i l(cid:160) ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p ph¥n r¢. Ch(cid:243)ng ta s‡ sß d(cid:246)ng
ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p n(cid:160)y (cid:31)” x¥y d(cid:252)ng s(cid:236) (cid:31)(cid:231) l(cid:176)p gi£i b(cid:160)i to¡n tam (cid:31)i•u hÆa.
(cid:30)” t…m nghi»m x§p x¿ cıa b(cid:160)i to¡n (2.1), sß d(cid:246)ng ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p ph¥n
r¢ b(cid:160)i to¡n tam (cid:31)i•u hÆa v• ba b(cid:160)i to¡n c§p hai, d(cid:252)a tr¶n k‚t qu£ x¥y
d(cid:252)ng to¡n tß A, ch(cid:243)ng ta (cid:31)• xu§t ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:176)p sau (cid:31)¥y.
Ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:176)p d⁄ng li¶n t(cid:246)c
x ∈ Ω.
B(cid:247)(cid:238)c 0: Cho x§p x¿ ban (cid:31)ƒu ϕ0 ∈ B[0, M ], chflng h⁄n ϕ0(x) = f (x, 0, 0, 0),
∆wk = ϕk, x ∈ Ω
B(cid:247)(cid:238)c 1: V(cid:238)i k = 0, 1, 2, . . . , gi£i li¶n ti‚p ba b(cid:160)i to¡n c§p 2
wk = 0, x ∈ ∂Ω
∆vk = wk, x ∈ Ω
(2.4)
vk = 0, x ∈ ∂Ω
∆uk = vk, x ∈ Ω,
(2.5)
uk = 0, x ∈ ∂Ω.
(2.6)
B(cid:247)(cid:238)c 2: C“p nh“t
ϕk+1 = f (x, uk, vk, wk).
25
(2.7)
(cid:30)(cid:224)nh l(cid:254) 2.2. V(cid:238)i nhœng gi£ thi‚t cıa (cid:30)(cid:224)nh l(cid:254) 2.1, ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:176)p tr¶n
(cid:107)ϕ1 − ϕ0(cid:107),
(cid:107)uk − u(cid:107) ≤ C 3 Ω
qk 1 − q
hºi t(cid:246) v(cid:160) c(cid:226) (cid:31)¡nh gi¡
trong (cid:31)(cid:226) u l(cid:160) nghi»m ch‰nh x¡c cıa b(cid:160)i to¡n (2.1) v(cid:160) gi¡ tr(cid:224) q (cid:31)(cid:247)æc x¡c
(cid:31)(cid:224)nh theo (iii) cıa (cid:30)(cid:224)nh l(cid:254) 2.1.
Chøng minh. Ch(cid:243)ng ta th§y r‹ng ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:176)p n¶u tr¶n l(cid:160) mºt qu¡
tr…nh l(cid:176)p li¶n ti‚p cho (cid:31)i”m b§t (cid:31)ºng cıa to¡n tß A v(cid:238)i x§p x¿ ban (cid:31)ƒu
trong h…nh cƒu B[0, M ]. Do (cid:31)(cid:226) ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:176)p n(cid:160)y hºi t(cid:246) v(cid:238)i tŁc (cid:31)º c§p
(cid:107)ϕ1 − ϕ0(cid:107). Tł (cid:31)(cid:226) suy ra
qk 1 − q
(cid:107)ϕ1 − ϕ0(cid:107).
(cid:107)uk − u(cid:107) ≤ C 3 Ω
qk 1 − q
sŁ nh¥n v(cid:160) ta c(cid:226) (cid:31)¡nh gi¡ (cid:107)ϕk − ϕ(cid:107) ≤
(cid:3)
Nh“n x†t 2.2. S(cid:236) (cid:31)(cid:231) l(cid:176)p (2.4)-(2.7) ch‰nh l(cid:160) s(cid:236) (cid:31)(cid:231) l(cid:176)p d(cid:247)(cid:238)i d⁄ng vi
ph¥n (cid:31)” t…m nghi»m gƒn (cid:31)(cid:243)ng cho b(cid:160)i to¡n tam (cid:31)i•u hÆa. (cid:30)” t…m nghi»m
sŁ ch(cid:243)ng ta ph£i ti‚n h(cid:160)nh r(cid:237)i r⁄c h(cid:226)a c¡c ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh vi ph¥n v• c¡c
ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh sai ph¥n t(cid:247)(cid:236)ng øng sau (cid:31)(cid:226) sß d(cid:246)ng c¡c thu“t to¡n sŁ gi£i
c¡c h» ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh sai ph¥n. Vi»c r(cid:237)i r⁄c h(cid:226)a (cid:31)(cid:247)æc th(cid:252)c hi»n th(cid:230)ng qua
c¡c s(cid:236) (cid:31)(cid:231) l(cid:176)p nh(cid:247) sau:
Ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:176)p møc (cid:31)º r(cid:237)i r⁄c
Tr¶n c(cid:236) s(cid:240) ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:247)(cid:238)i, ch(cid:243)ng t(cid:230)i chuy”n ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:176)p v• møc
m × n. K(cid:254) hi»u
}
i = 1, m − 1, j = 1, n − 1, h1 =
, h2 =
ωh = {(x1, x2)| x1 = i × h1, x2 = j × h2, l2 n
l1 m
r(cid:237)i r⁄c nh(cid:247) sau. Gi£ sß Ω = [0, l1] × [0, l2], chia l(cid:247)(cid:238)i Ω b(cid:240)i l(cid:247)(cid:238)i (cid:31)•u c(cid:239)
ωh = ωh ∪ γh. Sß d(cid:246)ng c¡c c(cid:230)ng thøc sai ph¥n v(cid:238)i (cid:31)º ch‰nh x¡c c§p bŁn,
26
l(cid:160) t“p c¡c (cid:31)i”m trong cıa l(cid:247)(cid:238)i v(cid:160) γh l(cid:160) t“p c¡c (cid:31)i”m bi¶n cıa l(cid:247)(cid:238)i, k(cid:254) hi»u
∆u = f (x), x ∈ Ω
khi (cid:31)(cid:226) b(cid:160)i to¡n
u = µ(x), x ∈ ∂Ω
Λy = f (x), x ∈ ωh
(cid:31)(cid:247)æc (cid:31)(cid:247)a v• b(cid:160)i to¡n sai ph¥n
y = µ(x), x ∈ γh,
trong (cid:31)(cid:226) y ≈ uij(x1i, x2j) l(cid:160) h(cid:160)m l(cid:247)(cid:238)i x¡c (cid:31)(cid:224)nh tr¶n ωh v(cid:160) Λ l(cid:160) to¡n tß
Laplace r(cid:237)i r⁄c, x§p x¿ to¡n tß Laplace ∆. Sß d(cid:246)ng ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p sai ph¥n,
ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:176)p (2.4)-(2.7) (cid:31)(cid:247)æc (cid:31)(cid:247)a v• ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:176)p (cid:240) møc sai ph¥n
sau.
0 = f (x, 0, 0, 0), x ∈ ωh.
Thu“t to¡n 1 B(cid:247)(cid:238)c 0: Cho ϕh
Λwh
B(cid:247)(cid:238)c 2: V(cid:238)i k = 0, 1, 2, . . . , gi£i li¶n ti‚p ba b(cid:160)i to¡n sai ph¥n c§p hai.
k, x ∈ ωh
k = ϕh
wh
k = 0, x ∈ γh
Λvh
(2.8)
k , x ∈ ωh
k = wh
vh k = 0, x ∈ γh
Λuh
(2.9)
k = vh
k , x ∈ ωh
(2.10)
uh k = 0, x ∈ γh.
k, vh
k , wh
k lƒn l(cid:247)æt l(cid:160) c¡c h(cid:160)m l(cid:247)(cid:238)i cıa c¡c h(cid:160)m u, v, w t⁄i b(cid:247)(cid:238)c
Trong (cid:31)(cid:226), uh
l(cid:176)p thø k.
B(cid:247)(cid:238)c 2: C“p nh“t
k ), x ∈ ωh.
k , wh
k, vh
k+1 = f (x, uh ϕh
(2.11)
(cid:30)Łi v(cid:238)i c¡c b(cid:160)i to¡n sai ph¥n (2.8), (2.9), (2.10), trong ch(cid:247)(cid:236)ng 1 (cid:31)¢ (cid:31)(cid:247)a
27
ra k‚t qu£ v• h» ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh v†ct(cid:236) 3 (cid:31)i”m t(cid:247)(cid:236)ng øng (cid:31)Łi v(cid:238)i b(cid:160)i to¡n sai
ph¥n c§p hai. Vi»c t…m nghi»m sŁ (cid:31)(cid:247)æc th(cid:252)c hi»n b‹ng c¡c h(cid:160)m trong th(cid:247)
vi»n RC2009 v(cid:238)i (cid:31)º ch‰nh x¡c b“c 4.
(cid:30)” (cid:31)¡nh gi¡ sai sŁ ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p, ch(cid:243)ng ta cƒn (cid:31)¡nh gi¡ (cid:107)uh
k − u(cid:107) ≤ (cid:107)uh
k − u(cid:107). k − uk(cid:107) + (cid:107)uk − u(cid:107). Theo k‚t qu£ cıa (cid:30)(cid:224)nh l(cid:254) 2.2, c(cid:226) (cid:107)ϕ1 −ϕ0(cid:107). V… v“y, ta ch¿ cƒn (cid:31)¡nh gi¡ (cid:107)uh
qk 1 − q
(cid:107)uk −u(cid:107) ≤ C 3 Ω ph¡t tł b(cid:247)(cid:238)c k = 0, ta c(cid:226) (cid:31)¡nh gi¡ (cid:107)uh ph¡p quy n⁄p v(cid:160) sß d(cid:246)ng c(cid:230)ng thøc c“p nh“t (2.11), ta thu (cid:31)(cid:247)æc (cid:107)uh
k −uk(cid:107). Xu§t 0 − u0(cid:107)C(Ωh) ≤ O(h4), theo ph(cid:247)(cid:236)ng k −
(cid:107)ϕ1−ϕ0(cid:107),
k−u(cid:107)C(Ωh) ≤ O(h4)+C 3 Ω
qk 1 − k
uk(cid:107)C(Ωh) ≤ O(h4). Tł (cid:31)(cid:226), ta c(cid:226) (cid:107)uh tøc l(cid:160) sai sŁ cıa ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:160) c§p 4 so v(cid:238)i b(cid:247)(cid:238)c l(cid:247)(cid:238)i.
2.1.2 B(cid:160)i to¡n bi¶n v(cid:238)i (cid:31)i•u ki»n bi¶n kh(cid:230)ng thuƒn nh§t
Ta c(cid:226) (cid:107)uh
Tr¶n c(cid:236) s(cid:240) c¡c k‚t qu£ thu (cid:31)(cid:247)æc (cid:31)Łi v(cid:238)i b(cid:160)i to¡n v(cid:238)i (cid:31)i•u ki»n bi¶n
thuƒn nh§t, ch(cid:243)ng ta s‡ x†t b(cid:160)i to¡n bi¶n tam (cid:31)i•u hÆa phi tuy‚n v(cid:238)i (cid:31)i•u
∆3u(x) = f (x),
x ∈ Ω,
ki»n bi¶n tŒng qu¡t. B(cid:160)i to¡n c(cid:226) d⁄ng
x ∈ ∂Ω.
u(x) = g1(x), ∆u(x) = g2(x), ∆2u(x) = g3(x),
(2.12)
∆3u1(x) = 0, x ∈ Ω
(cid:30)(cid:176)t u = u1 + u2, trong (cid:31)(cid:226) u1, u2 l(cid:160) nghi»m cıa c¡c b(cid:160)i to¡n
u1(x) = g1(x), ∆u1(x) = g2(x), ∆2u1(x) = g3(x), x ∈ ∂Ω,
∆3u2(x) = f (x, u1 + u2, ∆u1 + ∆u2, ∆2u1 + ∆2u2), x ∈ Ω,
(2.13)
u2(x) = ∆u2(x) = ∆2u2(x) = 0, x ∈ ∂Ω.
(2.14)
Hi”n nhi¶n, n‚u u1(x) l(cid:160) nghi»m cıa b(cid:160)i to¡n (2.13) v(cid:160) u2(x) l(cid:160) nghi»m
cıa b(cid:160)i to¡n (2.14) th… u(x) s‡ l(cid:160) nghi»m cıa b(cid:160)i to¡n (2.12).
(cid:136) B(cid:160)i to¡n (2.13) l(cid:160) b(cid:160)i to¡n bi¶n v(cid:238)i (cid:31)i•u ki»n bi¶n
Nh“n x†t 2.3.
Dirichlet v(cid:238)i v‚ ph£i thuƒn nh§t kh(cid:230)ng. Trong tr(cid:247)(cid:237)ng hæp c¡c h(cid:160)m m(cid:230) t£ (cid:31)i•u ki»n bi¶n thuºc l(cid:238)p C 4(Ω) th… s(cid:252) t(cid:231)n t⁄i v(cid:160) duy nh§t
28
nghi»m (cid:31)¢ (cid:31)(cid:247)æc khflng (cid:31)(cid:224)nh.
(cid:136) B(cid:160)i to¡n (2.14) ch‰nh l(cid:160) d⁄ng b(cid:160)i to¡n (2.1) (cid:31)¢ (cid:31)(cid:247)æc x†t, s(cid:252) t(cid:231)n t⁄i
duy nh§t nghi»m (cid:31)¢ (cid:31)(cid:247)æc khflng (cid:31)(cid:224)nh tł (cid:30)(cid:224)nh l(cid:254) 2.1.
Nh(cid:247) v“y ch(cid:243)ng ta c(cid:244)ng khflng (cid:31)(cid:224)nh v(cid:238)i c¡c (cid:31)i•u ki»n th(cid:228)a m¢n (cid:30)(cid:224)nh
l(cid:254) 2.1, b(cid:160)i to¡n (2.12) c(cid:244)ng t(cid:231)n t⁄i duy nh§t nghi»m. (cid:30)” t…m nghi»m cıa
b(cid:160)i to¡n (2.12)-(2.13), ch(cid:243)ng t(cid:230)i (cid:31)• xu§t ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:176)p d(cid:247)(cid:238)i møc vi
ph¥n nh(cid:247) sau:
∆3u1(x) = 0, x ∈ Ω
B(cid:247)(cid:238)c 1: Gi£i b(cid:160)i to¡n (cid:31)Łi v(cid:238)i u1
u1(x) = g1(x), ∆u1(x) = g2(x), ∆2u1(x) = g3(x), x ∈ ∂Ω.
B(cid:247)(cid:238)c 2: Gi£i b(cid:160)i to¡n (cid:31)Łi v(cid:238)i u2
2.0. Cho x§p x¿ ban (cid:31)ƒu ϕ0(x) = f (x, u1(x), ∆u1(x), ∆2u1(x)), x ∈ Ω.
∆w2k(x) = ϕk(x), x ∈ Ω
2.1. V(cid:238)i k = 0, 1, 2, . . . , gi£i li¶n ti‚p ba b(cid:160)i to¡n c§p 2
w2k = 0, x ∈ ∂Ω,
∆v2k(x) = wk(x), x ∈ Ω
v2k = 0, x ∈ ∂Ω,
∆u2k(x) = vk(x), x ∈ Ω
u2k = 0, x ∈ ∂Ω.
ϕk+1 = f (x, u1(x) + u2k, ∆u1(x) + v2k, ∆2u1(x) + w2k), x ∈ Ω.
2.2. C“p nh“t
B(cid:247)(cid:238)c 3: K‚t hæp nghi»m u1 + u2.
Hi”n nhi¶n, s(cid:252) hºi t(cid:246) cıa ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:176)p (cid:31)¢ (cid:31)(cid:247)æc (cid:31)(cid:247)a ra trong
(cid:30)(cid:224)nh l(cid:254) 2.2. T(cid:247)(cid:236)ng t(cid:252), sß d(cid:246)ng ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p ph¥n r¢ v(cid:160) c¡c c(cid:230)ng thøc
29
sai ph¥n c¡c (cid:31)⁄o h(cid:160)m c§p hai v(cid:238)i (cid:31)º ch‰nh x¡c b“c bŁn, sß d(cid:246)ng to¡n tß
Λ x§p x¿ to¡n tß ∆, ch(cid:243)ng ta c(cid:244)ng (cid:31)(cid:247)a ra (cid:31)(cid:247)æc ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:176)p (cid:240) møc
(cid:31)º r(cid:237)i r⁄c gi£i b(cid:160)i to¡n (2.12) v(cid:238)i (cid:31)º ch‰nh x¡c b“c bŁn. Ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:176)p
(cid:31)(cid:247)æc m(cid:230) t£ b‹ng thu“t to¡n sau (cid:31)¥y:
Thu“t to¡n 2
ωh
Λwh
B(cid:247)(cid:238)c 1: Gi£i li¶n ti‚p ba b(cid:160)i to¡n sai ph¥n c§p 2 trong kh(cid:230)ng gian l(cid:247)(cid:238)i
1 = 0, x ∈ ωh
wh
3 , x ∈ γh
1 = gh
Λvh
1 , x ∈ ωh
1 = wh
2 , x ∈ γh
1 = gh vh
Λuh
1 = vh
1 , x ∈ ωh
1 , x ∈ γh
1 = gh uh
B(cid:247)(cid:238)c 2:
0 = f (x, uh
1, vh
1 , wh
1 ), x ∈ ωh
2.0. Cho x§p x¿ ban (cid:31)ƒu ϕh
Λwh
2.1. V(cid:238)i k = 0, 1, 2, . . . , gi£i li¶n ti‚p ba b(cid:160)i to¡n sai ph¥n c§p 2
k, x ∈ ωh
2k = ϕh
wh
2k = 0, x ∈ γh
Λvh
2k = wh
2k, x ∈ ωh
vh 2k = 0, x ∈ γh
Λuh
1 = vh
2k, x ∈ ωh
uh 2k = 0, x ∈ γh.
2k), x ∈ ωh
1 + wh
2k, wh
1 + vh
2k, vh
1 + uh
k+1 = f (x, uh ϕh k = uh uh
1 + uh 2k.
30
2.2. C“p nh“t
k − u(cid:107) = (cid:107)uh
1k − u1(cid:107) + (cid:107)uh
(cid:30)” (cid:31)¡nh gi¡ sai sŁ cıa ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p, ch(cid:243)ng ta cƒn (cid:31)¡nh gi¡ (cid:107)uh 1k − u1 + uh (cid:107)uh 2k − u2(cid:107) ≤ (cid:107)uh ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p sai ph¥n b“c bŁn ta c(cid:226) (cid:107)uh
k −u(cid:107). Ta c(cid:226) 2k − u2(cid:107). Theo k‚t qu£ 1k − u1(cid:107) ≤ O(h4), (cid:31)(cid:231)ng th(cid:237)i theo (cid:107)ϕ1−ϕ0(cid:107).
k −u(cid:107)C(Ωh) ≤ O(h4)+C 3 Ω
(cid:30)(cid:224)nh l(cid:254) 2.2 ta c(cid:244)ng c(cid:226) (cid:31)¡nh gi¡ (cid:107)uh
(cid:107)ϕ1 − ϕ0(cid:107),
qk 1 − q qk 1 − q
k − u(cid:107)C(Ωh) ≤ O(h4) + C 3 Ω tøc l(cid:160) sai sŁ cıa ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:160) c§p bŁn so v(cid:238)i b(cid:247)(cid:238)c l(cid:247)(cid:238)i.
2.2 B(cid:160)i to¡n bi¶n tam (cid:31)i•u hÆa v(cid:238)i (cid:31)i•u ki»n bi¶n hØn hæp
V… v“y, ta thu (cid:31)(cid:247)æc (cid:31)¡nh gi¡ (cid:107)uh
∆3u1(x) = f (x, u, ∆u, ∆2u), x ∈ Ω,
Ch(cid:243)ng ta x†t b(cid:160)i to¡n bi¶n tam (cid:31)i•u hÆa tŒng qu¡t
L1u1(x) = g1(x), L2∆u1(x) = g2(x), L3∆2u1(x) = g3(x), x ∈ ∂Ω.
(2.15)
Trong (cid:31)(cid:226) L l(cid:160) c¡c to¡n tß di•u ki»n bi¶n (trong (cid:31)(cid:226) c(cid:226) ‰t nh§t 1 to¡n tß l(cid:160)
d⁄ng Neumann). Ho(cid:160)n to(cid:160)n t(cid:247)(cid:236)ng t(cid:252) nh(cid:247) b(cid:160)i to¡n bi¶n v(cid:238)i h» (cid:31)i•u ki»n
bi¶n Dirichlet. Ch(cid:243)ng ta c(cid:244)ng x¥y d(cid:252)ng (cid:31)(cid:247)æc ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:176)p t…m nghi»m
∆3u1(x) = 0, x ∈ Ω
x§p x¿ nh(cid:247) sau. (cid:30)(cid:176)t u = u1 + u2, trong (cid:31)(cid:226) u1, u2 l(cid:160) nghi»m cıa c¡c b(cid:160)i
L1u1(x) = g1(x), L2∆u1(x) = g2(x), L3∆2u1(x) = g3(x), x ∈ ∂Ω,
to¡n
∆3u2(x) = f (x, u1 + u2, ∆u1 + ∆u2, ∆2u1 + ∆2u2), x ∈ Ω
(2.16)
L1u2(x) = L2∆u2(x) = L3∆2u2(x) = 0, x ∈ ∂Ω.
(2.17)
Hi”n nhi¶n, n‚u u1(x) l(cid:160) nghi»m cıa b(cid:160)i to¡n (2.16) v(cid:160) u2(x) l(cid:160) nghi»m
cıa b(cid:160)i to¡n (2.17) th… u(x) s‡ l(cid:160) nghi»m cıa b(cid:160)i to¡n (2.15).
Nh“n x†t 2.4. Vi»c khflng (cid:31)(cid:224)nh s(cid:252) t(cid:231)n t⁄i v(cid:160) duy nh§t nghi»m cıa b(cid:160)i
31
to¡n l(cid:160) ch(cid:247)a th(cid:252)c hi»n (cid:31)(cid:247)æc, tuy nhi¶n ch(cid:243)ng ta c(cid:226) th” (cid:31)• xu§t thu“t to¡n
t…m nghi»m gƒn (cid:31)(cid:243)ng b‹ng c¡c s(cid:236) (cid:31)(cid:231) l(cid:176)p.
(cid:30)” t…m nghi»m cıa b(cid:160)i to¡n (2.15), t(cid:247)(cid:236)ng t(cid:252) nh(cid:247) c¡c thu“t to¡n (cid:31)¢
(cid:31)• xu§t, ch(cid:243)ng t(cid:230)i (cid:31)(cid:247)a ra ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:176)p d(cid:247)(cid:238)i møc vi ph¥n nh(cid:247) sau:
∆3u1(x) = 0, x ∈ Ω
B(cid:247)(cid:238)c 1: Gi£i b(cid:160)i to¡n (cid:31)Łi v(cid:238)i u1
L1u1(x) = g1(x), L2∆u1(x) = g2(x), L3∆2u1(x) = g3(x), x ∈ ∂Ω.
B(cid:247)(cid:238)c 2: Gi£i b(cid:160)i to¡n (cid:31)Łi v(cid:238)i u2
∆w2k(x) = ϕk(x), x ∈ Ω
2.0. Cho x§p x¿ ban (cid:31)ƒu ϕ0 = f (x, u1(x), ∆u1(x), ∆2u1(x)), x ∈ Ω.
L3w2k = 0, x ∈ ∂Ω,
∆v2k(x) = wk(x), x ∈ Ω
2.1. V(cid:238)i k = 0, 1, 2 . . . , gi£i li¶n ti‚p ba b(cid:160)i to¡n c§p 2
L2v2k = 0, x ∈ ∂Ω,
∆u2k(x) = vk(x), x ∈ Ω
L1u2k = 0, x ∈ ∂Ω.
ϕk+1 = f (x, u1(x) + u2k(x), ∆u1(x) + v2k, ∆2u1(x) + w2k), x ∈ Ω.
2.2. C“p nh“t
B(cid:247)(cid:238)c 3: K‚t hæp nghi»m u = u1 + u2.
T(cid:247)(cid:236)ng t(cid:252), sß d(cid:246)ng ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p ph¥n r¢ v(cid:160) c¡c c(cid:230)ng thøc sai ph¥n
v(cid:238)i (cid:31)º ch‰nh x¡c c§p hai, sß d(cid:246)ng to¡n tß Λ x§p x¿ to¡n tß ∆, ch(cid:243)ng ta
c(cid:244)ng (cid:31)(cid:247)a ra (cid:31)(cid:247)æc ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:176)p (cid:240) møc (cid:31)º r(cid:237)i r⁄c gi£i b(cid:160)i to¡n (2.15)
v(cid:238)i (cid:31)º ch‰nh x¡c b“c hai. Ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:176)p (cid:31)(cid:247)æc m(cid:230) t£ b‹ng thu“t to¡n
sau (cid:31)¥y.
32
Thu“t to¡n 3
ωh
Λwh
B(cid:247)(cid:238)c 1: Gi£i li¶n ti‚p ba b(cid:160)i to¡n sai ph¥n c§p 2 trong kh(cid:230)ng gian l(cid:247)(cid:238)i
1 = 0, x ∈ ωh
L3wh
3 , x ∈ γh
1 = gh
Λvh
1 , x ∈ ωh
1 = wh
L2vh
1 = gh
2 , x ∈ γh
Λuh
1 , x ∈ ωh
1 = vh
L1uh
1 = gh
1 , x ∈ γh
B(cid:247)(cid:238)c 2:
1 ), x ∈ ωh.
1 , wh
1, vh
0 = f (x, uh
2.0. Cho x§p x¿ ban (cid:31)ƒu ϕh
Λwh
2.1. V(cid:238)i k = 0, 1, 2, . . . , gi£i li¶n ti‚p ba b(cid:160)i to¡n sai ph¥n c§p 2
k, x ∈ ωh
2k = ϕh
L3wh
2k = 0, x ∈ γh,
Λvh
2k, x ∈ ωh
2k = wh
L2vh
2k = 0, x ∈ γh,
Λuh
2k, x ∈ ωh
2k = vh
L1uh
2k = 0, x ∈ γh.
1 + uh
2k, vh
1 + vh
2k, wh
1 + wh
2k), x ∈ ωh,
k+1 = f (x, uh ϕh k = uh uh
1 + uh 2k.
2.2. C“p nh“t
Nh“n x†t 2.5. Kh¡c v(cid:238)i thu“t to¡n 1 v(cid:160) thu“t to¡n 2, v… b(cid:160)i to¡n c(cid:226) chøa
d⁄ng (cid:31)i•u ki»n bi¶n Neumann n¶n ch(cid:243)ng ta kh(cid:230)ng th” ¡p d(cid:246)ng l(cid:247)æc (cid:31)(cid:231)
33
sai ph¥n v(cid:238)i (cid:31)º ch‰nh x¡c b“c bŁn (v… v(cid:247)(cid:238)ng sai ph¥n (cid:31)i•u ki»n bi¶n d⁄ng
Neumann) n¶n ch(cid:243)ng ta ch¿ c(cid:226) th” ¡p d(cid:246)ng l(cid:247)æc (cid:31)(cid:231) sai ph¥n v(cid:238)i (cid:31)º ch‰nh
x¡c b“c 2. Nghi»m sŁ thu (cid:31)(cid:247)æc (cid:31)Łi v(cid:238)i c¡c b(cid:160)i to¡n c§p hai s‡ (cid:31)(cid:247)æc th(cid:252)c
hi»n b‹ng c¡c h(cid:160)m trong th(cid:247) vi»n RC2009 v(cid:238)i (cid:31)º ch‰nh x¡c c§p 2 theo
b(cid:247)(cid:238)c l(cid:247)(cid:238)i.
K‚t lu“n: Trong ch(cid:247)(cid:236)ng 2, lu“n v«n (cid:31)¢ nghi¶n cøu s(cid:252) t(cid:231)n t⁄i v(cid:160) duy
nh§t nghi»m cıa b(cid:160)i to¡n bi¶n tam (cid:31)i•u hÆa v(cid:238)i h» (cid:31)i•u ki»n bi¶n Dirichlet,
(cid:31)(cid:231)ng th(cid:237)i x¥y d(cid:252)ng mºt sŁ thu“t to¡n t…m nghi»m x§p x¿ cıa c¡c d⁄ng
b(cid:160)i to¡n tam (cid:31)i•u hÆa phi tuy‚n v(cid:238)i (cid:31)º ch‰nh x¡c b“c 4 trong tr(cid:247)(cid:237)ng hæp
(cid:31)i•u ki»n bi¶n d⁄ng Dirichlet v(cid:160) (cid:31)º ch‰nh x¡c b“c 2 trong tr(cid:247)(cid:237)ng hæp h»
(cid:31)i•u ki»n bi¶n hØn hæp (C(cid:226) chøa d⁄ng (cid:31)i•u ki»n Neuman). C¡c k‚t qu£
34
thß nghi»m c¡c thu“t to¡n s‡ (cid:31)(cid:247)æc (cid:31)(cid:247)a ra trong ch(cid:247)(cid:236)ng 3 cıa lu“n v«n.
Ch(cid:247)(cid:236)ng 3
Mºt sŁ k‚t qu£ t‰nh to¡n thß
nghi»m
Sau (cid:31)¥y ch(cid:243)ng ta s‡ (cid:31)(cid:247)a ra mºt sŁ v‰ d(cid:246) minh h(cid:229)a (cid:31)” ki”m tra s(cid:252)
hºi t(cid:246) cıa c¡c ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:176)p (cid:31)Łi v(cid:238)i b(cid:160)i to¡n tam (cid:31)i•u hÆa phi tuy‚n
(cid:31)Łi v(cid:238)i thu“t to¡n 1 v(cid:160) thu“t to¡n 2. (cid:30)” x¡c (cid:31)(cid:224)nh nghi»m x§p x¿ cıa c¡c
b(cid:160)i to¡n, chia mi•n Ω b‹ng l(cid:247)(cid:238)i chia M × N , ¡p d(cid:246)ng thu“t to¡n thu g(cid:229)n
khŁi l(cid:247)æng t‰nh to¡n gi£i li¶n ti‚p c¡c b(cid:160)i to¡n sai ph¥n trong c¡c thu“t
to¡n. C¡c v‰ d(cid:246) (cid:31)(cid:247)æc (cid:31)(cid:247)a ra c£ trong tr(cid:247)(cid:237)ng hæp bi‚t tr(cid:247)(cid:238)c ho(cid:176)c kh(cid:230)ng
bi‚t tr(cid:247)(cid:238)c nghi»m (cid:31)(cid:243)ng, trong tr(cid:247)(cid:237)ng hæp bi‚t nghi»m (cid:31)(cid:243)ng, ti¶u chu'n
dłng l(cid:176)p (cid:31)(cid:247)æc ch(cid:229)n l(cid:160) (cid:107)uk − ud(cid:107) ≤ T OL, trong tr(cid:247)(cid:237)ng hæp kh(cid:230)ng bi‚t
tr(cid:247)(cid:238)c nghi»m (cid:31)(cid:243)ng, ti¶u chu'n dłng l(cid:176)p (cid:31)(cid:247)æc ch(cid:229)n l(cid:160) (cid:107)uk+1 −uk(cid:107) ≤ T OL.
C¡c k‚t qu£ t‰nh to¡n (cid:31)(cid:247)æc th(cid:252)c hi»n tr¶n m¡y Intel(R)-Core(TM) i3, m(cid:230)i
3.1 B(cid:160)i to¡n bi¶n v(cid:238)i (cid:31)i•u ki»n bi¶n thuƒn nh§t
, x ∈ Ω
∆3u = u(x) + (∆u)2 sin πx1 sin πx2 + 2∆2u cos πx1 cos πx2 +
tr(cid:247)(cid:237)ng t‰nh to¡n Matlab 7.0.
1 4
∆2u = ∆u = u = 0, x ∈ ∂Ω,
V‰ d(cid:246) 3.1. X†t b(cid:160)i to¡n bi¶n
trong (cid:31)(cid:226) Ω = (0, 1) × (0, 1), x = (x1, x2).
35
(cid:30)Łi v(cid:238)i b(cid:160)i to¡n n(cid:160)y, ch(cid:243)ng ta th§y r‹ng c¡c (cid:31)i•u ki»n cıa (cid:30)(cid:224)nh l(cid:254)
2.1 (cid:31)•u (cid:31)(cid:247)æc th(cid:228)a m¢n, (chflng h⁄n ch(cid:229)n M = 1.1), tøc l(cid:160) b(cid:160)i to¡n t(cid:231)n
t⁄i duy nh§t nghi»m, ch(cid:229)n mi•n Ω = (0, 1) × (0, 1). Sß d(cid:246)ng thu“t to¡n
B(cid:247)(cid:238)c l(cid:247)(cid:238)i
TOL
SŁ lƒn l(cid:176)p Th(cid:237)i gian
16 × 16
2.4567 × e − 11
0.093
5
32 × 32
2.4574 × e − 11
0.156
5
64 × 64
2.4574 × e − 11
1.123
5
128 × 128
2.4574 × e − 11
8.611
5
256 × 256
2.4574 × e − 11
66.032
5
B£ng 3.1: TŁc (cid:31)º hºi t(cid:246) theo b(cid:247)(cid:238)c l(cid:247)(cid:238)i cıa V‰ d(cid:246) 3.1
1, k‚t qu£ v• tŁc (cid:31)º hºi t(cid:246) cıa ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:176)p (cid:31)(cid:247)a ra trong B£ng 3.1
∆3u = −8π6 sin πx1 sin πx2 + 1
V‰ d(cid:246) 3.2. X†t b(cid:160)i to¡n bi¶n
8π6 ((∆u)2 − u∆2u), x ∈ Ω
∆2u = ∆u = u = 0, x ∈ ∂Ω,
trong (cid:31)(cid:226), Ω = (0, 1) × (0, 1), x = (x1, x2).
(cid:30)Łi v(cid:238)i b(cid:160)i to¡n n(cid:160)y, ch(cid:243)ng ta th§y r‹ng c¡c (cid:31)i•u ki»n cıa (cid:30)(cid:224)nh l(cid:254)
2.1 (cid:31)•u (cid:31)(cid:247)æc th(cid:228)a m¢n tøc l(cid:160) b(cid:160)i to¡n c(cid:244)ng t(cid:231)n t⁄i duy nh§t nghi»m. C(cid:226)
th” th§y nghi»m ch‰nh x¡c cıa b(cid:160)i to¡n l(cid:160) ud = sin πx1 sin πx2. K‚t qu£
B(cid:247)(cid:238)c l(cid:247)(cid:238)i
TOL
SŁ lƒn l(cid:176)p Th(cid:237)i gian
16 × 16
9.529 × e − 7
0.062
3
32 × 32
6.069 × e − 8
0.082
3
64 × 64
4.282 × e − 9
1.121
3
128 × 128
1.082 × e − 9
5.143
3
256 × 256
1.082 × e − 9
39.762
3
B£ng 3.2: TŁc (cid:31)º hºi t(cid:246) theo b(cid:247)(cid:238)c l(cid:247)(cid:238)i cıa V‰ d(cid:246) 3.2
ch⁄y th(cid:252)c nghi»m thu“t to¡n 2.1 (cid:31)(cid:247)æc th” hi»n (cid:240) B£ng 3.2
(cid:136) Tł c¡c k‚t qu£ th(cid:252)c nghi»m sŁ trong 2 v‰ d(cid:246), ch(cid:243)ng
Nh“n x†t 3.1.
ta th§y thu“t to¡n 2.1 (cid:31)Łi v(cid:238)i b(cid:160)i to¡n tam (cid:31)i•u hÆa v(cid:238)i (cid:31)i•u ki»n bi¶n
36
thuƒn nh§t c(cid:226) tŁc (cid:31)ºi hºi t(cid:246) r§t nhanh, (cid:31)º ch‰nh x¡c (cid:31)⁄t c§p bŁn.
(cid:136) C(cid:226) th” th§y r‹ng tŁc (cid:31)º hºi t(cid:246) cıa thu“t to¡n l(cid:160) kh(cid:230)ng ph(cid:246) thuºc v(cid:160)o
3.2 B(cid:160)i to¡n bi¶n v(cid:238)i (cid:31)i•u ki»n bi¶n kh(cid:230)ng thuƒn nh§t
∆3u = u(x) + (∆u)2 sin πx1 sin πx2 + 2∆2u cos πx1 cos πx2 + 1
b(cid:247)(cid:238)c l(cid:247)(cid:238)i.
4, x ∈ Ω
u = log(x5
V‰ d(cid:246) 3.3. X†t b(cid:160)i to¡n bi¶n
1 + x5
2 + 1), ∆u = 2 sin x1 sin x2, ∆2u = x1 − x2 + ex1−x2, x ∈ ∂Ω,
trong (cid:31)(cid:226) Ω = (0, 1) × (0, 1), x = (x1, x2).
(cid:30)Łi v(cid:238)i b(cid:160)i to¡n n(cid:160)y, ch(cid:243)ng ta th§y r‹ng h(cid:160)m v‚ ph£i f (x, u, ∆u, ∆2u)
c(cid:244)ng th(cid:228)a m¢n c¡c (cid:31)i•u ki»n cıa (cid:31)(cid:224)nh l(cid:254) 2.1 n¶n b(cid:160)i to¡n bi¶n (cid:31)Łi v(cid:238)i (cid:31)i•u
ki»n bi¶n thuƒn nh§t s‡ t(cid:231)n t⁄i v(cid:160) duy nh§t nghi»m, tł (cid:31)(cid:226) b(cid:160)i to¡n tr¶n
s‡ t(cid:231)n t⁄i duy nh§t nghi»m. Ch(cid:229)n mi•n Ω = (0, 1) × (0, 1). Sß d(cid:246)ng thu“t
to¡n 2.2, k‚t qu£ v• tŁc (cid:31)º hºi t(cid:246) cıa ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:176)p (cid:31)(cid:247)æc (cid:31)(cid:247)a ra trong
B(cid:247)(cid:238)c l(cid:247)(cid:238)i
TOL
SŁ lƒn l(cid:176)p Th(cid:237)i gian
16 × 16
8.612 × e − 8
0.062
4
32 × 32
8.610 × e − 8
0.140
4
64 × 64
8.625 × e − 8
1.260
4
128 × 128
8.626 × e − 8
8.658
4
256 × 256
8.626 × e − 8
66.847
4
B£ng 3.3: TŁc (cid:31)º hºi t(cid:246) theo b(cid:247)(cid:238)c l(cid:247)(cid:238)i cıa V‰ d(cid:246) 3.3
∆3u = 8ex1+x2 + sin(ex1+x2 − u) + cos(2ex1+x2 − ∆u) − e(4ex1+x2 −∆2u),
B£ng 3.3. ((cid:30)i•u ki»n dłng l(cid:176)p (cid:107)uk+1 − uk(cid:107) ≤ T OL).
u = ex1+x2, ∆u = 2ex1+x2, ∆2u = 4ex1+x2, x ∈ ∂Ω,
V‰ d(cid:246) 3.4. X†t b(cid:160)i to¡n bi¶n
trong (cid:31)(cid:226) Ω = (0, 1) × (0, 1), x = (x1, x2).
(cid:30)Łi v(cid:238)i b(cid:160)i to¡n n(cid:160)y, ch(cid:243)ng ta th§y r‹ng h(cid:160)m v‚ ph£i f (x, u, ∆u, ∆2u)
37
c(cid:244)ng th(cid:228)a m¢n c¡c (cid:31)i•u ki»n cıa (cid:31)(cid:224)nh l(cid:254) 2.1 n¶n b(cid:160)i to¡n bi¶n (cid:31)Łi v(cid:238)i (cid:31)i•u
ki»n bi¶n thuƒn nh§t s‡ t(cid:231)n t⁄i v(cid:160) duy nh§t nghi»m, tł (cid:31)(cid:226) b(cid:160)i to¡n tr¶n
B(cid:247)(cid:238)c l(cid:247)(cid:238)i
TOL
SŁ lƒn l(cid:176)p Th(cid:237)i gian
16 × 16
4.827 × e − 8
0.062
4
32 × 32
2.344 × e − 8
0.218
4
64 × 64
2.191 × e − 8
1.404
4
128 × 128
2.181 × e − 8
9.719
4
256 × 256
2.181 × e − 8
70.544
4
B£ng 3.4: TŁc (cid:31)º hºi t(cid:246) theo b(cid:247)(cid:238)c l(cid:247)(cid:238)i cıa V‰ d(cid:246) 3.4
s‡ t(cid:231)n t⁄i duy nh§t nghi»m. C(cid:226) th” th§y nghi»m ch‰nh x¡c cıa b(cid:160)i to¡n l(cid:160) ud = ex1+x2. K‚t qu£ ch⁄y th(cid:252)c nghi»m thu“t to¡n 2.2 (cid:31)(cid:247)æc th” hi»n (cid:240) B£ng 3.4. ((cid:30)i•u ki»n dłng l(cid:176)p (cid:107)uk − ud(cid:107) ≤ T OL).
∆3u = 8 sin x1 sin x2 + sin(x5
1 + x5
2 + sin x1 sin x2 − u)
+ cos(20x3
1 + 20x3
2 − 2 sin x1 sin x2 − ∆u) − 1,
u = x5
1 + x5
2 + sin x1 sin x2, ∆u = 20(x3
2) − 2 sin x1 sin x2,
1 + x3 ∆2u = 120(x1 + x2) + 4 sin x1 sin x2, x ∈ ∂Ω
V‰ d(cid:246) 3.5. X†t b(cid:160)i to¡n bi¶n
trong (cid:31)(cid:226) Ω = (0, 1) × (0, 1), x = (x1, x2).
(cid:30)Łi v(cid:238)i b(cid:160)i to¡n n(cid:160)y, ch(cid:243)ng ta th§y r‹ng h(cid:160)m v‚ ph£i f (x, u, ∆u, ∆2u)
c(cid:244)ng th(cid:228)a m¢n c¡c (cid:31)i•u ki»n cıa (cid:30)(cid:224)nh l(cid:254) 2.1 n¶n b(cid:160)i to¡n bi¶n (cid:31)Łi v(cid:238)i
2 + sin x1 sin x2. K‚t qu£ ch⁄y th(cid:252)c nghi»m thu“t to¡n
1 + x5
(cid:31)i•u ki»n bi¶n thuƒn nh§t s‡ t(cid:231)n t⁄i v(cid:160) duy nh§t nghi»m, tł (cid:31)(cid:226) b(cid:160)i to¡n
38
tr¶n s‡ t(cid:231)n t⁄i duy nh§t nghi»m. C(cid:226) th” th§y nghi»m ch‰nh x¡c cıa b(cid:160)i to¡n l(cid:160) ud = x5 2 (cid:31)(cid:247)æc th” hi»n (cid:240) B£ng 3.5. ((cid:30)i•u ki»n dłng l(cid:176)p (cid:107)uk − ud(cid:107) ≤ T OL)
B(cid:247)(cid:238)c l(cid:247)(cid:238)i
TOL
SŁ lƒn l(cid:176)p Th(cid:237)i gian
16 × 16
2.863 × e − 9
0.078
3
32 × 32
1.906 × e − 10
0.124
2
64 × 64
2.282 × e − 11
0.842
2
128 × 128
1.223 × e − 11
5.756
2
256 × 256
1.139 × e − 11
42.245
2
B£ng 3.5: TŁc (cid:31)º hºi t(cid:246) theo b(cid:247)(cid:238)c l(cid:247)(cid:238)i cıa V‰ d(cid:246) 3.5
3.3 B(cid:160)i to¡n bi¶n v(cid:238)i (cid:31)i•u ki»n bi¶n hØn hæp
= 2ex1+x2,
= ex1+x2,
= 4ex1,x2, x ∈ Γ1 = {x1 = 0, x2 ∈ [0, 1]},
∂∆2u ∂x
∂∆u ∂x
∆3u = 8ex1+x2 + sin(ex1+x2 − u) + cos(2ex1+x2 − ∆u) − e(4ex1+x2 −∆2u), ∂u ∂x u = ex1+x2, ∆u = 2ex1+x2, ∆2u = 4ex1+x2, x ∈ Γ2 = ∂Ω \ Γ1,
V‰ d(cid:246) 3.6. X†t b(cid:160)i to¡n bi¶n
trong (cid:31)(cid:226) Ω = (0, 1) × (0, 1), x = (x1, x2).
Nghi»m ch‰nh x¡c cıa b(cid:160)i to¡n l(cid:160) ud = ex1+x2. K‚t qu£ ch⁄y th(cid:252)c
(cid:107)uk − ud(cid:107) ≤ T OL)
B(cid:247)(cid:238)c l(cid:247)(cid:238)i
TOL
SŁ lƒn l(cid:176)p Th(cid:237)i gian
16 × 16
5.01 × e − 4
0.062
4
32 × 32
1.29 × e − 4
0.218
4
64 × 64
3.24 × e − 5
1.404
4
128 × 128
8.11 × e − 6
9.719
4
256 × 256
2.028 × e − 6
70.544
4
B£ng 3.6: TŁc (cid:31)º hºi t(cid:246) theo b(cid:247)(cid:238)c l(cid:247)(cid:238)i cıa V‰ d(cid:246) 3.6
39
nghi»m thu“t to¡n 2.3 (cid:31)(cid:247)æc th” hi»n (cid:240) B£ng 3.6. ((cid:30)i•u ki»n dłng l(cid:176)p
∆3u = 8 sin x1 sin x2 + sin(x5
1 + x5
2 + sin x1 sin x2 − u)
+ cos(20x3
1 + 20x3
2 − 2 sin x1 sin x2 − ∆u) − 1,
= x5
= 220(x3
1 + x5
2 + sin x1 sin x2,
1 + x3
2) − 2 sin x1 sin x2,
∂∆u ∂x
= 120(x1 + x2) + 4 sin x1 sin x2, x ∈ Γ1 = {x1 = 0, x2 ∈ [0, 1]},
∂u ∂x ∂∆2u ∂x u = x5
1 + x5
2 + sin x1 sin x2, ∆u = 20(x3
1 + x3
2) − 2 sin x1 sin x2,
∆2u = 120(x1 + x2) + 4 sin x1 sin x2, x ∈ Γ2 = ∂Ω \ Γ1,
V‰ d(cid:246) 3.7. X†t b(cid:160)i to¡n bi¶n
1 + x5
trong (cid:31)(cid:226) Ω = (0, 1) × (0, 1), x = (x1, x2).
C(cid:226) th” th§y nghi»m ch‰nh x¡c cıa b(cid:160)i to¡n l(cid:160) ud = x5 2 + sin x1 sin x2. K‚t qu£ ch⁄y th(cid:252)c nghi»m thu“t to¡n 2.3 (cid:31)(cid:247)æc th” hi»n (cid:240)
B(cid:247)(cid:238)c l(cid:247)(cid:238)i
TOL
SŁ lƒn l(cid:176)p Th(cid:237)i gian
16 × 16
0.0029
0.078
5
32 × 32
7.1 × e − 4
0.124
5
64 × 64
1.7 × e − 4
0.842
5
128 × 128
4.49 × e − 5
5.756
5
256 × 256
1.12 × e − 5
42.245
5
B£ng 3.7: TŁc (cid:31)º hºi t(cid:246) theo b(cid:247)(cid:238)c l(cid:247)(cid:238)i cıa V‰ d(cid:246) 3.7
B£ng 3.7. ((cid:30)i•u ki»n dłng l(cid:176)p (cid:107)uk − ud(cid:107) ≤ T OL).
(cid:136) Tł c¡c k‚t qu£ th(cid:252)c nghi»m sŁ trong 7 v‰ d(cid:246), ch(cid:243)ng
Nh“n x†t 3.2.
ta th§y c¡c thu“t to¡n 2.1, 2.2, 2.3 t…m nghi»m x§p x¿ cıa c¡c b(cid:160)i to¡n
bi¶n tam (cid:31)i•u hÆa phi tuy‚n øng v(cid:238)i tłng lo⁄i (cid:31)i•u ki»n bi¶n c(cid:226) tŁc
(cid:31)ºi hºi t(cid:246) r§t nhanh, (cid:31)º ch‰nh x¡c (cid:31)⁄t c§p hai ho(cid:176)c c§p bŁn t(cid:242)y theo
(cid:136) C(cid:226) th” th§y r‹ng tŁc (cid:31)º hºi t(cid:246) cıa thu“t to¡n c(cid:244)ng kh(cid:230)ng ph(cid:246) thuºc
tłng thu“t to¡n.
40
v(cid:160)o b(cid:247)(cid:238)c l(cid:247)(cid:238)i.
K(cid:152)T LU(cid:138)N
Nºi dung ch‰nh cıa lu“n v«n (cid:31)¢ tr…nh b(cid:160)y c¡c k‚t qu£ khi nghi¶n
cøu ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:176)p t…m nghi»m x§p x¿ (cid:31)Łi v(cid:238)i b(cid:160)i to¡n bi¶n tam (cid:31)i•u
hÆa phi tuy‚n t‰nh v(cid:238)i h» (cid:31)i•u ki»n bi¶n Dirichlet v(cid:160) Neumann. C¡c k‚t
qu£ thu (cid:31)(cid:247)æc bao g(cid:231)m:
(i) (cid:30)(cid:247)a ra c¡c h» ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh sai ph¥n v(cid:238)i (cid:31)º ch‰nh x¡c c§p hai t…m
nghi»m sŁ cho b(cid:160)i to¡n bi¶n Elliptic c§p hai v(cid:238)i (cid:31)i•u ki»n bi¶n Neu-
mann v(cid:160) h» ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh sai ph¥n v(cid:238)i (cid:31)º ch‰nh x¡c c§p bŁn t…m nghi»m
sŁ cho b(cid:160)i to¡n bi¶n Elliptic c§p hai v(cid:238)i (cid:31)i•u ki»n bi¶n Dirichlet. (cid:30)¥y
ch‰nh l(cid:160) c(cid:236) s(cid:240) (cid:31)” gi£i sŁ t§t c£ c¡c b(cid:160)i to¡n tam (cid:31)i•u hÆa s‡ (cid:31)(cid:247)æc
nghi¶n cøu trong lu“n v«n.
(ii) Nghi¶n cøu x¥y d(cid:252)ng s(cid:236) (cid:31)(cid:231) l(cid:176)p d(cid:252)a tr¶n ph(cid:247)(cid:236)ng tr…nh to¡n tß t…m
nghi»m x§p x¿ (cid:31)Łi v(cid:238)i b(cid:160)i to¡n tam (cid:31)i•u hÆa phi tuy‚n v(cid:238)i h» (cid:31)i•u
ki»n bi¶n thuƒn nh§t, ch¿ ra s(cid:252) t(cid:231)n t⁄i duy nh§t nghi»m cıa b(cid:160)i to¡n
((cid:30)(cid:224)nh l(cid:254) 2.1) v(cid:160) c¡c (cid:31)i•u ki»n (cid:31)” ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:176)p hºi t(cid:246) ((cid:30)(cid:224)nh l(cid:254) 2.2).
X¥y d(cid:252)ng ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:176)p t(cid:247)(cid:236)ng øng d(cid:247)(cid:238)i d⁄ng sai ph¥n (Thu“t to¡n
1).
(iii) M(cid:240) rºng ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:176)p (cid:31)Łi v(cid:238)i b(cid:160)i to¡n tam (cid:31)i•u hÆa phi tuy‚n v(cid:238)i
(cid:31)i•u ki»n bi¶n Dirichlet tŒng qu¡t. X¥y d(cid:252)ng ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:176)p t(cid:247)(cid:236)ng
øng d(cid:247)(cid:238)i d⁄ng sai ph¥n (Thu“t to¡n 2).
(iv) (cid:30)• xu§t x¥y d(cid:252)ng s(cid:236) (cid:31)(cid:231) l(cid:176)p t…m nghi»m x§p x¿ (cid:31)Łi v(cid:238)i b(cid:160)i to¡n to¡n
(cid:31)i•u hÆa phi tuy‚n v(cid:238)i h» (cid:31)i•u ki»n bi¶n Neuman. X¥y d(cid:252)ng ph(cid:247)(cid:236)ng
ph¡p l(cid:176)p t(cid:247)(cid:236)ng øng d(cid:247)(cid:238)i d⁄ng sai ph¥n (Thu“t to¡n 3).
(v) Ti‚n h(cid:160)nh t‰nh to¡n thß nghi»m c¡c thu“t to¡n th(cid:230)ng qua 7 v‰ d(cid:246) c(cid:246)
th”. C¡c k‚t qu£ t‰nh to¡n thß nghi»m qua c¡c v‰ d(cid:246) (cid:31)¢ khflng (cid:31)(cid:224)nh
41
c¡c thu“t to¡n (cid:31)• xu§t l(cid:160) hºi t(cid:246) v(cid:238)i tŁc (cid:31)º hºi t(cid:246) nhanh. (cid:30)º ch‰nh x¡c
(cid:31)⁄t c§p hai (cid:31)Łi v(cid:238)i thu“t to¡n 3 v(cid:160) (cid:31)⁄t c§p bŁn (cid:31)Łi v(cid:238)i thu“t to¡n 1
v(cid:160) thu“t to¡n 2.
H(cid:247)(cid:238)ng ph¡t tri”n ti‚p theo cıa lu“n v«n l(cid:160) m(cid:240) rºng nghi¶n cøu c¡c ph(cid:247)(cid:236)ng
ph¡p t…m nghi»m (cid:31)Łi v(cid:238)i b(cid:160)i to¡n tam (cid:31)i•u hÆa v(cid:238)i c¡c h» (cid:31)i•u ki»n bi¶n
42
phøc t⁄p h(cid:236)n.
T(cid:160)i li»u tham kh£o
Ti‚ng Vi»t
[1] V.V. Quang, T.H. H£i, Gi¡o tr…nh (cid:16)Mºt sŁ thu“t to¡n gi£i sŁ ph(cid:247)(cid:236)ng
tr…nh vi ph¥n (cid:31)⁄o h(cid:160)m ri¶ng(cid:17), NXB (cid:30)H Th¡i nguy¶n, 2018.
[2] V.V. Quang, T.H. H£i, N.T. Tuy”n, X¥y d(cid:252)ng bº ch(cid:247)(cid:236)ng tr…nh RC2009
gi£i sŁ b(cid:160)i to¡n bi¶n elliptic v(cid:238)i h» sŁ h‹ng, T⁄p ch‰ Khoa h(cid:229)c v(cid:160) C(cid:230)ng
ngh» (cid:30)⁄i h(cid:229)c Th¡i Nguy¶n, T.69(07):56-63, 2010.
[3] N.Q. H(cid:247)ng, (cid:30).Q (cid:129), V.V Quang, Ph(cid:247)(cid:236)ng ph¡p l(cid:176)p gi£i b(cid:160)i to¡n bi¶n
Ti‚ng Anh
tam (cid:31)i•u hÆa phi tuy‚n, Hºi th£o Fair 2019, NXB KHCN, 114-119.
[4] Quang A. Dang, Thanh Huong Nguyen, (cid:16)Existence result and iterative
method for solving a nonlinear biharmonic equation of Kirchhoff type(cid:17),
Computers&Mathematics with Applications, 76, pp.11-22, 2018.
[5] B. N. Mishra and M. K. Mohanty, (cid:16)Single Cell Numerov Type Dis-
cretization for 2D Biharmonic and Triharmonic Equations on Uniqual
Mesh(cid:17), Journal of Mathematical and Computational Science, 3, pp242-
253, 2013.
[6] R. K. Mohanty, (cid:16)Single Cell Compact Finite Difference Discretizations
43
of Order Two and Four for Multi-dimensional Triharmonic Problems(cid:17),
Numerical Method for Partial Differential Equation, 26, pp.228-246,
2013.
[7] Samarskij A. and Nikolaev E. (1989), Numerical Methods for Grid
Equations, Vol. 2, Birkhauser, Basel.
[8] D. Lenic, (cid:16)On the boundary integral equations for a two-dimentional
slowly rotating highly viscous fluid flow(cid:17), Advances in Applied Math-
ematics and Mechanics, 1, pp.140-150, 2009.
[9] Timoshenco S. P. and Woinowsky-Krieger S. , (cid:16)Theory of plates and
shells(cid:17), McGraw-Hill, New York, 1970.
[10] H. Ugail, (cid:16)Partial Defferential Equations for Geometric Design(cid:17),
44
Springer, 2011.
PH(cid:214) L(cid:214)C
(C¡c ch(cid:247)(cid:236)ng tr…nh m(cid:230) t£ c¡c thu“t to¡n)
Thu“t to¡n 1
function pt=Thuat_toan_1(n,k,saiso)
clc;
N=2^n;
M=N;
a=1;b=1;
p1=1;p2=M+1;q1=1;q2=N+1;
x10=0;x20=0;l1=a;l2=b;
h1=l1/M;h2=l2/N;
X1=linspace(x10,x10+a,N+1);X2=linspace(x20,x20+b,N+1);
uluu=zeros(N+1);
% Gia tri nghiem dung va ve phai
for i=1:M+1
for j=1:N+1
x1=x10+(i-1)*h1;
x2=x20+(j-1)*h2;
ud(i,j)=u(x1,x2);% Nghiem dung
csi(i,j)=f(x1,x2,0,0,0)+1;
end;
end;
thoigian=cputime;
count=0;ss=10;saiso1=(h1^4+h2^4)/2;ss1=10;
while and(ss>saiso,count count=count+1; % giai bai toan w=delta2(u) b1=delta2(x10,X2);b2=delta2(x10+l1,X2); b3=delta2(X1,x20);b4=delta2(X1,x20+l2); 45 phiw=csi; w2=u0000(phiw,b1,b2,b3,b4,l1,l2,M,N,n,p1,p2,q1,q2); % giai bai toan v=delta(u) b1=delta(x10,X2);b2=delta(x10+l1,X2); b3=delta(X1,x20);b4=delta(X1,x20+l2); phiv=-w2; v2=u0000(phiv,b1,b2,b3,b4,l1,l2,M,N,n,p1,p2,q1,q2); % giai bai toan u b1=u(x10,X2);b2=u(x10+l1,X2); b3=u(X1,x20);b4=u(X1,x20+l2); phiu=-v2; u2=u0000(phiu,b1,b2,b3,b4,l1,l2,M,N,n,p1,p2,q1,q2); ss=chuan(ud-u2) %ss1=chuan(u2-uluu) uluu=u2; % hieu chinh csi for i=1:M+1 for j=1:N+1 x1=x10+(i-1)*h1; x2=x20+(j-1)*h2; csi(i,j)=f(x1,x2,u2(i,j),v2(i,j),w2(i,j)); end; end; end; count thoigian=cputime-thoigian function u=u(x1,x2) function delta=delta(x1,x2) function delta2=delta2(x1,x2) 46 function delta3=delta3(x1,x2) function f=f(x1,x2,y,z,t) Thu“t to¡n 2 function pt=Thuat_toan_2(n,k,saiso) clc; N=2^n; M=N; a=1;b=1; p1=1;p2=M+1;q1=1;q2=N+1; x10=0;x20=0;l1=a;l2=b; h1=l1/M;h2=l2/N; X1=linspace(x10,x10+a,N+1);X2=linspace(x20,x20+b,N+1); uluu=zeros(N+1);Z0=zeros(1,N+1); % Gia tri nghiem dung va ve phai for i=1:M+1 for j=1:N+1 x1=x10+(i-1)*h1; x2=x20+(j-1)*h2; ud(i,j)=u(x1,x2);% Nghiem dung csi(i,j)=f(x1,x2,0,0,0); end; end; thoigian=cputime; % buoc 1: giai bai toan voi u1 % giai bai toan w1=delta2(u) b1=delta2(x10,X2);b2=delta2(x10+l1,X2); b3=delta2(X1,x20);b4=delta2(X1,x20+l2); phiw=zeros(N+1);; 47 w1=u0000(phiw,b1,b2,b3,b4,l1,l2,M,N,n,p1,p2,q1,q2); % giai bai toan v1=delta(u1) b1=delta(x10,X2);b2=delta(x10+l1,X2); b3=delta(X1,x20);b4=delta(X1,x20+l2); phiv=-w1; v1=u0000(phiv,b1,b2,b3,b4,l1,l2,M,N,n,p1,p2,q1,q2); % giai bai toan u1 b1=u(x10,X2);b2=u(x10+l1,X2); b3=u(X1,x20);b4=u(X1,x20+l2); phiu=-v1; u1=u0000(phiu,b1,b2,b3,b4,l1,l2,M,N,n,p1,p2,q1,q2); % Buoc 2: giai bai toan voi u2 % Gia tri nghiem dung va ve phai for i=1:M+1 for j=1:N+1 x1=x10+(i-1)*h1; x2=x20+(j-1)*h2; ud(i,j)=u(x1,x2);% Nghiem dung csi(i,j)=f(x1,x2,u1(i,j),v1(i,j),w1(i,j)); end; end; count=0;ss=10;ss1=10; saiso1=10^-9; while and(ss>saiso,count count=count+1; % buoc 2: giai bai toan voi u2 % giai bai toan w2=delta2(u) b1=Z0;b2=Z0;b3=Z0;b4=Z0; phiw=csi; 48 w2=u0000(phiw,b1,b2,b3,b4,l1,l2,M,N,n,p1,p2,q1,q2); % giai bai toan v2=delta(u2) b1=Z0;b2=Z0;b3=Z0;b4=Z0; phiv=-w2; v2=u0000(phiv,b1,b2,b3,b4,l1,l2,M,N,n,p1,p2,q1,q2); % giai bai toan u2 b1=Z0;b2=Z0;b3=Z0;b4=Z0; phiu=-v2; u2=u0000(phiu,b1,b2,b3,b4,l1,l2,M,N,n,p1,p2,q1,q2); utq=u1+u2; ss=chuan(ud-utq) uluu=u2; % hieu chinh csi for i=1:M+1 for j=1:N+1 x1=x10+(i-1)*h1; x2=x20+(j-1)*h2; csi(i,j)=f(x1,x2,u1(i,j)+u2(i,j),v1(i,j)+v2(i,j),w1(i,j)+w2(i,j)); end; end; end; count thoigian=cputime-thoigian function u=u(x1,x2) function delta=delta(x1,x2) function delta2=delta2(x1,x2) function delta3=delta3(x1,x2) function f=f(x1,x2,y,z,t) 49 Thu“t to¡n 3 function pt=Thuat_toan_3(n,k,saiso) clc; N=2^n; M=N; a=1;b=1; p1=1;p2=M+1;q1=1;q2=N+1; x10=0;x20=0;l1=a;l2=b; h1=l1/M;h2=l2/N; X1=linspace(x10,x10+a,N+1);X2=linspace(x20,x20+b,N+1); uluu=zeros(N+1);Z0=zeros(1,N+1); % Gia tri nghiem dung va ve phai for i=1:M+1 for j=1:N+1 x1=x10+(i-1)*h1; x2=x20+(j-1)*h2; ud(i,j)=u(x1,x2);% Nghiem dung csi(i,j)=f(x1,x2,0,0,0); end; end; thoigian=cputime; % buoc 1: giai bai toan voi u1 % giai bai toan w1=delta2(u) b1=ddelta2(x10,X2);b2=ddelta2(x10+l1,X2); b3=delta2(X1,x20);b4=delta2(X1,x20+l2); phiw=zeros(N+1);; w1=u1100(phiw,b1,b2,b3,b4,l1,l2,M,N,n,p1,p2,q1,q2); % giai bai toan v1=delta(u1) b1=ddelta(x10,X2);b2=ddelta(x10+l1,X2); 50 b3=delta(X1,x20);b4=delta(X1,x20+l2); phiv=-w1; v1=u1100(phiv,b1,b2,b3,b4,l1,l2,M,N,n,p1,p2,q1,q2); % giai bai toan u1 b1=du(x10,X2);b2=du(x10+l1,X2); b3=u(X1,x20);b4=u(X1,x20+l2); phiu=-v1; u1=u0000(phiu,b1,b2,b3,b4,l1,l2,M,N,n,p1,p2,q1,q2); % Buoc 2: giai bai toan voi u2 % Gia tri nghiem dung va ve phai for i=1:M+1 for j=1:N+1 x1=x10+(i-1)*h1; x2=x20+(j-1)*h2; ud(i,j)=u(x1,x2);% Nghiem dung csi(i,j)=f(x1,x2,u1(i,j),v1(i,j),w1(i,j)); end; end; count=0;ss=10;ss1=10; saiso1=10^-9; while and(ss>saiso,count count=count+1; % buoc 2: giai bai toan voi u2 % giai bai toan w2=delta2(u) b1=Z0;b2=Z0;b3=Z0;b4=Z0; phiw=csi; w2=u1100(phiw,b1,b2,b3,b4,l1,l2,M,N,n,p1,p2,q1,q2); % giai bai toan v2=delta(u2) b1=Z0;b2=Z0;b3=Z0;b4=Z0; 51 phiv=-w2; v2=u1100(phiv,b1,b2,b3,b4,l1,l2,M,N,n,p1,p2,q1,q2); % giai bai toan u2 b1=Z0;b2=Z0;b3=Z0;b4=Z0; phiu=-v2; u2=u1100(phiu,b1,b2,b3,b4,l1,l2,M,N,n,p1,p2,q1,q2); utq=u1+u2; ss=chuan(ud-utq) uluu=u2; % hieu chinh csi for i=1:M+1 for j=1:N+1 x1=x10+(i-1)*h1; x2=x20+(j-1)*h2; csi(i,j)=f(x1,x2,u1(i,j)+u2(i,j),v1(i,j)+v2(i,j),w1(i,j)+w2(i,j)); end; end; end; count thoigian=cputime-thoigian function u=u(x1,x2) function du=du(x1,x2) function delta=delta(x1,x2) function ddelta=ddelta(x1,x2) function delta2=delta2(x1,x2) function ddelta2=ddelta2(x1,x2) function delta3=delta3(x1,x2) function f=f(x1,x2,y,z,t) 52