Metoda Galerkina - Galerkin method

W matematyce , w dziedzinie analizy numerycznej , metody Galerkina , nazwane na cześć rosyjskiego matematyka Borisa Galerkina , przekształcają problem operatorów ciągłych , taki jak równanie różniczkowe , zwykle w słabym sformułowaniu , w problem dyskretny , stosując więzy liniowe określone przez skończoną zbiory funkcji bazowych.

Często w odniesieniu do metody Galerkina podaje się również nazwę wraz z typowymi założeniami i zastosowanymi metodami aproksymacji:

Przykładami metod Galerkina są:

Przykład: macierzowy układ liniowy

Najpierw przedstawiamy i ilustrujemy metodę Galerkina jako stosowaną do układu równań liniowych o następującej symetrycznej i dodatnio określonej macierzy

oraz rozwiązanie i wektory prawostronne

Pozwól nam wziąć

wtedy macierz równania Galerkina to

prawostronny wektor równania Galerkina to

aby otrzymać wektor rozwiązania

do równania Galerkina , które w końcu podnosimy, aby określić przybliżone rozwiązanie pierwotnego równania jako

W tym przykładzie nasza oryginalna przestrzeń Hilberta jest w rzeczywistości trójwymiarową przestrzenią euklidesową wyposażoną w standardowy iloczyn skalarny , nasza macierz 3 na 3 definiuje formę dwuliniową , a wektor po prawej stronie definiuje ograniczony funkcjonał liniowy . Kolumny

macierzy tworzą ortonormalną bazę dwuwymiarowej podprzestrzeni rzutu Galerkina. Wpisy macierzy Galerkina 2 na 2 to , natomiast składowe prawostronnego wektora równania Galerkina to . Ostatecznie przybliżone rozwiązanie otrzymuje się ze składowych wektora rozwiązania równania Galerkina i podstawy jako .

Równanie liniowe w przestrzeni Hilberta

Słabe sformułowanie równania liniowego

Wprowadźmy metodę Galerkina z abstrakcyjnym problemem przedstawionym jako słabe sformułowanie na przestrzeni Hilberta , a mianowicie:

znaleźć takie, że dla wszystkich .

Tutaj jest formą dwuliniową (dokładne wymagania zostaną określone później) i jest ograniczonym funkcjonałem liniowym on .

Redukcja wymiarów Galerkina

Wybierz podprzestrzeń wymiaru n i rozwiąż projektowany problem:

Znajdź takie dla wszystkich .

Nazywamy to równaniem Galerkina . Zauważ, że równanie pozostało niezmienione i zmieniły się tylko przestrzenie. Redukcja problemu do skończenie wymiarowej podprzestrzeni wektorowej pozwala nam obliczyć numerycznie jako skończoną kombinację liniową wektorów bazowych w .

Ortogonalność Galerkina

Kluczową właściwością podejścia Galerkina jest to, że błąd jest ortogonalny do wybranych podprzestrzeni. Ponieważ , możemy użyć jako wektora testowego w oryginalnym równaniu. Odejmując te dwa, otrzymujemy relację ortogonalności Galerkina dla błędu, który jest błędem między rozwiązaniem pierwotnego problemu , a rozwiązaniem równania Galerkina,

Forma macierzowa równania Galerkina

Ponieważ celem metody Galerkina jest wytworzenie liniowego układu równań , budujemy jego postać macierzową, którą można wykorzystać do algorytmicznego obliczenia rozwiązania.

Niech będzie podstawą dla . Wtedy wystarczy je po kolei wykorzystać do przetestowania równania Galerkina, czyli: znajdź takie, że

Rozwijamy się względem tej bazy i wstawiamy ją do powyższego równania, aby otrzymać

To poprzednie równanie jest w rzeczywistości liniowym układem równań , gdzie

Symetria matrycy

Ze względu na definicję wpisów macierzowych macierz równania Galerkina jest symetryczna wtedy i tylko wtedy, gdy postać dwuliniowa jest symetryczna.

Analiza metod Galerkina

Tutaj ograniczymy się do symetrycznych form dwuliniowych , czyli

Chociaż tak naprawdę nie jest to ograniczenie metod Galerkina, zastosowanie teorii standardowej staje się znacznie prostsze. Ponadto w przypadku niesymetrycznym może być wymagana metoda Pietrowa-Galerkina .

Analiza tych metod przebiega dwuetapowo. Najpierw pokażemy, że równanie Galerkina jest dobrze postawionym problemem w sensie Hadamarda i dlatego dopuszcza unikalne rozwiązanie. W drugim kroku badamy jakość aproksymacji rozwiązania Galerkina .

Analiza będzie opierać się głównie na dwóch właściwościach postaci dwuliniowej , a mianowicie

  • Ograniczenie: dla wszystkich uchwytów
    dla jakiegoś stałego
  • Eliptyczność: dla wszystkich uchwytów
    dla jakiegoś stałego

Zgodnie z twierdzeniem Laxa-Milgrama (patrz słabe sformułowanie ), te dwa warunki implikują dobre postawienie pierwotnego problemu w słabym sformułowaniu. Wszystkie normy w kolejnych rozdziałach będą normami, dla których występują powyższe nierówności (normy te są często nazywane normą energetyczną).

Dobrze ułożone równanie Galerkina

Ponieważ , do . Dlatego dobrze postawione problem Galerkina jest w rzeczywistości dziedziczone po dobrze postawionym problemie pierwotnym.

Quasi-najlepsze przybliżenie (lemat Cei)

Błąd między oryginałem a rozwiązaniem Galerkina pozwala na oszacowanie

Oznacza to, że aż do stałej , rozwiązanie Galerkina jest tak bliskie oryginalnemu rozwiązaniu, jak każdy inny wektor w . W szczególności wystarczy przestudiować aproksymację przestrzeniami , całkowicie zapominając o rozwiązywanym równaniu.

Dowód

Ponieważ dowód jest bardzo prosty i podstawowa zasada stojąca za wszystkimi metodami Galerkina, uwzględniamy go tutaj: przez eliptyczność i ograniczoność postaci dwuliniowej (nierówności) oraz ortogonalność Galerkina (znak równości w środku) mamy do arbitralnego :

Dzielenie przez i przejmowanie dołka nad wszystkimi możliwymi daje lemat.

Najlepsza właściwość aproksymacyjna Galerkina w normie energetycznej

Dla uproszczenia prezentacji w powyższym podrozdziale przyjęliśmy, że forma dwuliniowa jest symetryczna i dodatnio określona, ​​co oznacza, że ​​jest iloczynem skalarnym, a wyrażenie jest w rzeczywistości obowiązującą normą wektorową, zwaną normą energii . Przy tych założeniach można łatwo udowodnić dodatkowo najlepszą właściwość aproksymacyjną Galerkina w normie energetycznej.

Wykorzystując a-ortogonalność Galerkina oraz nierówność Cauchy'ego-Schwarza dla normy energetycznej otrzymujemy

Dzielenie przez i przejmowanie dolnego nad wszystkie możliwe dowodzi, że przybliżenie Galerkina jest najlepszym przybliżeniem w normie energetycznej w obrębie podprzestrzeni , czyli jest niczym innym jak ortogonalnym, względem iloczynu skalarnego , rzutem rozwiązania na podprzestrzeń .

Metoda Galerkina dla konstrukcji schodkowych

I. Elishakof , M. Amato, A. Marzani, PA Arvan i JN Reddy badali zastosowanie metody Galerkina do konstrukcji schodkowych. Wykazali, że do uzyskania dokładnych wyników potrzebna jest funkcja uogólniona, a mianowicie funkcja kroku jednostkowego, funkcja delta Diraca i funkcja dubletu.

Historia

Takie podejście przypisuje się zwykle Borisowi Galerkinowi . Metoda została wyjaśniona zachodniemu czytelnikowi między innymi przez Hencky'ego i Duncana. Jej zbieżność badali Mikhlin i Leipholz Jej zbieżność z metodą Fouriera zilustrowali Elishakoff i in. Jej równoważność z metodą Ritza dotyczącą problemów konserwatywnych wykazał Singer. Gander i Wanner pokazali, w jaki sposób metody Ritza i Galerkina doprowadziły do ​​powstania nowoczesnej metody elementów skończonych. Sto lat rozwoju metody omówił Repin. Elishakoff, Kaplunov i Kaplunov pokazują, że metoda Galerkina nie została opracowana przez Ritza, wbrew twierdzeniom Tymoszenko.

Zobacz też

Bibliografia

  1. ^ A. Ern, JL Guermond, Teoria i praktyka elementów skończonych , Springer, 2004, ISBN  0-387-20574-8
  2. ^ „Georgii Iwanowicz Pietrow (w jego setne urodziny)”, Fluid Dynamics, maj 2012, tom 47, wydanie 3, s. 289-291, DOI 10.1134/S0015462812030015
  3. ^ S. Brenner, RL Scott, Teoria matematyczna metod elementów skończonych , wydanie 2, Springer, 2005, ISBN  0-387-95451-1
  4. ^ PG Ciarlet, Metoda elementów skończonych dla problemów eliptycznych , North-Holland, 1978, ISBN  0-444-85028-7
  5. ^ Y. Saad , Metody iteracyjne dla rzadkich układów liniowych , wydanie 2, SIAM, 2003, ISBN  0-89871-534-2
  6. ^ Elishakoff I., Marco Amato, Prakash Ankitha Arvan i Alessandro Marzani, 2021 „Rygorystyczne wdrożenie metody Galerkina dla struktur schodkowych wymaga uogólnionych funkcji”, Journal of Sound and Vibration, tom. 490, artykuł 115708
  7. ^ Elishakoff I., Marco Amato i Alessandro Marzani, 2021, „Metoda Galerkina ponownie zbadana i poprawiona w problemie Jaworskiego i Dowella”, Mechanical Systems and Signal Processing, tom. 156, artykuł 107604
  8. ^ Elishakoff I. i Marco Amato, 2021, „Flutter wiązki w przepływie naddźwiękowym: ścięta wersja równania Timoshenko-Ehrenfesta jest wystarczająca”, International Journal of Mechanics and Materials in Design, w druku.
  9. ^ Marco Amato, Elishakoff I. i JN Reddy, 2021, „trzepotanie wiązki wieloskładnikowej w przepływie naddźwiękowym”, AIAA Journal, w druku.
  10. ^ Galerkin, BG, 1915, Pręty i płyty, serie występujące w różnych pytaniach dotyczących sprężystej równowagi prętów i płyt , Vestnik Inzhenerov i Tekhnikov, (Inżynierowie i Technolodzy Biuletyn), tom. 19, 897-908 (w języku rosyjskim), (tłumaczenie angielskie: 63-18925, Clearinghouse Fed. Sci. Tech. Info.1963).
  11. ^ "Le destin douloureux de Walther Ritz (1878-1909)" (Jean-Claude Pont, redaktor), Cahiers de Vallesia, 24, (2012), ISBN  978-2-9700636-5-0
  12. ^ Hencky H., 1927, Eine wichtige Vereinfachung der Methode von Ritz zur angennäherten Behandlung von Variationproblemen, ZAMM: Zeitschrift für angewandte Mathematik und Mechanik, tom. 7, 80-81 (w języku niemieckim).
  13. ^ Duncan, WJ, 1937, Metoda Galerkina w mechanice i równaniach różniczkowych, Raporty i notatki Komitetu Badań Lotniczych, nr 1798.
  14. ^ Duncan, WJ, 1938, Zasady metody Galerkina, Raport z badań lotniczych i notatki, nr 1894.
  15. ^ SG Mikhlin, „Metody wariacyjne w fizyce matematycznej”, Pergamon Press, 1964
  16. ^ Leipholz HHE, 1976, Zastosowanie metody Galerkina do problemów z wibracjami , Shock and Vibration Digest, tom. 8, 3-18
  17. ^ Leipholz HHE, 1967, Über die Wahl der Ansatzfunktionen bei der Durchfuchrung des Verfahrens von Galerkin, Acta Mech., tom. 3, 295-317 (w języku niemieckim).
  18. ^ Leipholz HHE, 1967, Über die Befreiung der Anzatzfunktionen des Ritzschen und Galerkinschen Verfahrens von den Randbedingungen, inż. Arch., tom. 36, 251-261 (w języku niemieckim).
  19. ^ Leipholz, HHE, 1976, Zastosowanie metody Galerkina do problemów z wibracjami, The Shock and Vibration Digest tom. 8, 3-18, 1976.
  20. ^ I. Elishakoff, Lee, LHN, 1986, O równoważności metod serii Galerkina i Fouriera dla jednej klasy problemów, Journal of Sound and Vibration, tom. 109, 174-177.
  21. ^ Elishakoff, I., Zingales, M., 2003, Zbieg okoliczności Bubnova-Galerkina i dokładne rozwiązanie problemu mechaniki stosowanej, Journal of Applied Mechanics, tom. 70, 777-779.
  22. ^ Elishakoff, I., Zingales M., 2004, Konwergencja metody Bubnova-Galerkina na przykładzie , AIAA Journal, tom. 42(9), 1931-1933.
  23. ^ Singer J., 1962, O równoważności metod Galerkina i Rayleigha-Ritza, Journal of the Royal Aeronautical Society, tom. 66, nr 621, s.592.
  24. ^ Gander, MJ, Wanner, G., 2012, Od Eulera, Ritza i Galerkina do nowoczesnych komputerów, SIAM Review, tom. 54 ust. 4, 627-666.
  25. ^ ] Repin, S., 2017, sto lat metody Galerkina, metody obliczeniowe i matematyka stosowana, Vol.17 (3), 351-357.
  26. ^ .Elishakoff, I., Julius Kaplunov, Elizabeth Kaplunov, 2020, „Metoda Galerkina nie została opracowana przez Ritza, w przeciwieństwie do stwierdzenia Timoshenko”, w Nonlinear Dynamics of Discrete and Continuous Systems (A. Abramyan, I. Andrianov and V. Gaiko, red.), s. 63-82, Springer, Berlin.

Zewnętrzne linki