里茨-加廖金方法
发布时间:2022-03-02 16:54:42 点击次数:17 文章作者:
——求解数学物理方程的近似方法。主要用于椭圆型边值问题,W·里茨于1908年对此做了开创性的工作。这类方法从变分原理出发,选定有限个试探函数□□,□□,…,□□,用它们的线性组合□构造近似解,□从而把问题归结为确定组合中的系数。极小值原理:表达物理基本定律的一种形式,其表达可概括如下:给出一个依赖于物理状态□(为一函数)的变量□(□)(数学上称为泛函),同时给出□(□)的容许函数集□,即一切容许取的物理状态,则真实的物理状态就是□中使□(□)达到极小值的函数□。例如弹性力学中著名的极小能量原理的表述是:弹性体在外力作用下的平衡位移使总势能达到极小。这里,总势能是位移函数的泛函。现讨论小变形的均匀弹性膜,膜在区域□上的垂直位移用函数□(□,□)表示,假定在边界□□上膜固定在坐标平面上,即□,(1)在外力□(□,□)作用下弹性膜的总势能为□(2)它的容许函数集□是满足边界条件(1)并使积分(2)存在的全体函数。由极小能量原理得出:弹性膜的平衡位移□是□中使总势能(2)达到极小的函数,即□。(3)虚功原理又称虚位移原理,在力学中与极小能量原理同属变分原理。它的一般表述是:平衡系的力对虚位移所作的虚功为零。在弹性膜的例子中,如果仍以□表示平衡位移,则虚功原理可表达为:对所有□□□□□,□使□(4)成立。变分问题(3)或(4)确定的平衡位移□,也是泊松方程第一边值问题的解,即□满足□式中□为拉普拉斯算子。里茨法:从与微分方程问题等价的极小值原理出发,选择有限个试探函数□□□,□□,…,□□,在它们的线性组合□中去找近似解。一般而言,试探函数□□须属于容许函数集□。把□代入(2),得到□(5)式中□,□。由多元微分学可推出极小解□的系数□□应满足□(6)故问题归结为求解线代数方程组(6)。加廖金法:从虚功方程(4)出发,把近似解表为试探函数□□,□□,…,□□的线性组合□,另选定函数□□,□□,…,□□作为(4)中的虚位移,□□也须满足边界条件(1),称为检验函数。将线性组合代入虚功方程(4),得到□利用分部积分公式得□。若取□□=□□,可看出方程组(7)即方程组(6),也就是说这时里茨法与加廖金法一致。由于检验函数□□的选择可不同于试验函数□□,另外,对非自共轭问题□□=□不存在等价的极小值问题,但可建立等价的广义虚功方程□加廖金法仍可用,所以加廖金法是里茨法的推广,它比里茨法更灵活和广泛。里茨-加廖金法的有效使用依赖于试探函数和检验函数的选取,传统的做法是选取代数或三角多项式之类的解析函数,其优点是,对光滑解只需很少几个□□,近似解就能达到很高的精度。在电子计算机出现之前,这种方法比较切合实际。但这样选取的函数只当区域□的形状很特殊才能满足给定的边界条件,故在应用上受到很大限制。随着电子计算机的出现,产生了有限元方法,它继承了里茨-加廖金法从变分原理出发的基本特点,但不用多项式之类的解析函数,而是用剖分插值的方法构造试探函数和检验函数,从而使方法具有极大的灵活适用性,能很好地处理复杂的几何形状、间断介质以及奇性载荷等情况,在科学与工程的计算中获得广泛的使用。