Метод прогонки
Якщо звичайне диференціальне рівняння (ЗДР) 2-го порядку розв’язати методом скінченних різниць, то початкове ЗДР зводиться до системи лінійних алгебраїчних рівнянь з тридіагональною матрицею коефіцієнтів, тобто такою, що кожне рівняння системи має три сусідні невідомі:
(10.11)
Для розв’язання такої системи розроблено спеціальний метод – прогонки. Розглянемо лінійне диференціальне рівняння другого порядку
(10.12)
з двоточковими граничними умовами:
(10.13)
;
, (10.14)
де функції ,
,
неперервні на
.
Прийдемо до скінченнорізницевого рівняння
;
;
;
;
. (10.15)
Підставляючи вираз (10.15) у початкове ЗДР (10.12), отримаємо для внутрішніх точок систему скінченнорізницевих рівнянь:
. (10.16)
Після деяких перетворень (10.16) матимемо
;
(10.17)
де
;
;
. (10.18)
Для похідних на кінцях відрізка інтегрування і
знаходимо скінченнорізницеві рівняння виду
;
(10.19)
і, підставляючи їх у граничні умови (10.13) і (10.14), отримаємо два рівняння:
(10.20)
Система рівнянь (10.17), (10.20) відносно невідомих
являє собою систему лінійних алгебраїчних рівнянь з три діагональною матрицею коефіцієнтів. Цю систему зручно розв’язати методом прогонки.
Розглянемо суть цього методу.
1. Представимо рівняння (10.17) відносно :
. (10.21)
2. Допустимо, що за допомогою рівнянь (10.20) і (10.21) виключена складова , тоді рівняння будуть мати вигляд
(10.22)
де
– деякі коефіцієнти.
3. За аналогією з (10.22) представимо у вигляді
(10.23)
і, підставляючи його в (10.17), матимемо
(10.24)
і, отже,
. (10.25)
4. Порівнюючи вирази (10.22) та (10.25), отримуємо рекурентні формули для визначення коефіцієнтів ,
вигляду
;
,
. (10.26)
5. Для визначення виразу для та
використовуємо рівняння (10.20) та (10.22):
; (10.27)
та . (10.28)
Порівнюючи останні дві нерівності, знаходимо:
;
. (10.29)
На основі формул (10.17) та (10.29) послідовно визначаємо коефіцієнти
до
і
включно. Процес знаходження коефіцієнтів
називають прямим ходом методу прогонки.
Зворотній хід методу прогонки починається з визначення . Використовуючи другу граничну умову (10.20) та формулу (10.22), отримуємо систему з двох рівнянь:
(10.30)
Розв’язуючи цю систему відносно , отримаємо:
. (10.31)
Тепер за формулою (10.22) послідовно знаходимо розв’язок початкового ЗДР:
Таким чином, метод прогонки достатньо простий, легко алгоритмізується та включає прямий та зворотній хід. Причому:
1) прямий хід полягає в знаходженні коефіцієнтів за рекурентними формулами (10.26);
2) зворотній хід полягає у знаходженні розв’язку початкового ЗДР за формулою (10.22).
Схему алгоритму методу прогонки показано на рис. 10.1.
Рисунок 10.1- Схему алгоритму методу прогонки