Modos próprios do Laplaciano em uma região semicircular com método de diferenças finitas


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O cálculo dos modos próprios de uma membrana semicircular se reduz ao seguinte problema de valor próprio

∇2u=k2u,

onde a região de interesse é um semicírculo definido por e φ ∈ [ 0 , π ] .r∈[0,1]φ∈[0,π]

É apropriado trabalhar em coordenadas cilíndricas, onde o Laplaciano é escrito como

∇2u=∂2u∂r2+1r∂u∂r+1r2∂2u∂φ2.

As condições de contorno fixam o valor de no limite do semicírculo, onde u = 0 .uu=0

Primeiro, fazemos uma discretização de com u i j = u ( r i , φ j ) , onde r i = ( i + 1uuij=u(ri,φj)eφj=(j+1ri=(i+12)hri,j=0...N-1ehr=1/N,HR=π/N. Esta é umamalhacentralizada.φj=(j+12)hφ i,j=0…N−1hr=1/Nhr=π/N

Em seguida, usamos uma aproximação de diferença finita para o Laplaciano e obtemos

∇2u≈ui+1,j−2ui,j+ui−1,jhr2+1ihrui+1,j−ui−1,j2hr++1(ihr)2ui,j+1−2ui,j+ui,j−1hφ2=k2uij

ou

ui+1,j(1+12i)+ui−1,j(1−12i)+1i2hφ2(ui,j+1+ui,j−1)+ui,j(−2−2i2hφ2−k2hr2)=0.

Como nossa malha é centralizada, temos que fazer a seguinte substituição na equação acima: . Essa substituição também nos ajuda a eliminar a singularidade de coordenadas parai=0.i→i+12i=0

Condições de contorno em e r = 0 , 1 podem ser todos tratados com o mesmo truque , onde montamos na fronteiraφ=0,πr=0,1

u i , j + 1 = - u i , j u i - 1 , j = - u i , j u i + 1 , j = - u i , j .

ui,j−1=−ui,j
ui,j+1=−ui,j
ui−1,j=−ui,j
ui+1,j=−ui,j.

uijv→A

Av→=k2hr2v→.

A matriz é uma matriz real assimétrica e os autovalores e autovetores podem ser obtidos com uma rotina dgeevdo LAPACK.

Soluções analíticas podem ser facilmente obtidas pelo método de separação de variáveis

u(r,φ)=R(r)Φ(φ).

Eles são

u(r,φ)nm=sin⁡(nφ)Jn(ξn(m)Rr),
Jnnξn(m)mJn

ωnm=−k2=ξn(m)R.

r=0

Aqui está o gráfico da solução analítica para a primeira função própria:

Solução analítica para a primeira função própria.

O gráfico a seguir mostra a comparação dos resultados numéricos para três discretizações diferentes, tanto quanto meus recursos computacionais me permitem ir.

Comparação de soluções numéricas em diferentes discretizações $ N $.

N2L2(u→−u→analytical)/N20.5N

Erro absoluto normalizado em função do número de pontos da grade $ N ^ 2


Ahr,hφ→0A

N=60r=0r=0u(r=0,φ)=0

1
NN

N

@ David Este é um teste simples de convergência que você quis dizer? Essa convergência (linear) é rápida o suficiente? Afinal, usamos a aproximação de segunda ordem para a primeira derivada.
— liberias 28/01

Respostas:


2

No interesse de ter pelo menos alguma resposta, parece que a análise que você tem acima está correta. As condições de contorno de primeira ordem afetam a precisão de uma discretização de segunda ordem (se estou lembrando o livro de LeVeque sobre aproximações de diferenças finitas corretamente; DavidKetcheson pode me ajudar com isso), então as soluções do problema discreto parecem estar convergindo para a solução do problema analítico na taxa apropriada.


Gilbert Strang também menciona em suas palestras que as condições de contorno de primeira ordem se propagam por toda a solução. Na verdade, estou me perguntando se esse tipo de comportamento próximo à origem é típico para coordenadas cilíndricas e possivelmente se origina na singularidade das coordenadas.
— Liberias

1

Tendo analisado a maior parte da análise e analisado as belas imagens, eles contam uma história convincente: a solução analítica não tem circularidade, mas sua solução numérica; a região central é curva.

Então, eu me concentraria diretamente no seu esquema de diferenças finitas. Ainda não consigo ver o que há de errado, mas talvez alguma parte da dependência angular das coordenadas não esteja completamente resolvida.

Duvido que seja a condição de contorno; ambas as soluções parecem ter zero em todos os limites. No entanto, poderia ser a natureza da condição, sendo uma derivada e não uma condição de valor.


-3

Eu não entendo as condições de contorno.

  • Por que o menos?
  • r=0r=1φ=0φ=π

Poderia dar mais detalhes, por favor?


u(x)u1x=−a−u1x=ax=00rφφ=0,πr=0,1
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