Numerical integration by the matrix method and evaluation of the approximation order of difference boundary value problems for non-homogeneous linear ordinary differential equations of the fourth order with variable coefficients

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The use of the second degree Taylor polynomial in approximation of derivatives by finite difference method leads to the second order approximation of the traditional grid method for numerical integration of boundary value problems for non-homogeneous linear ordinary differential equations of the second order with variable coefficients.The study considers a previously proposed method of numerical integration using matrix calculus which didn’t include the approximation of derivatives by finite difference method for boundary value problems of non-homogeneous fourth-order linear ordinary differential equations with variable coefficients. According to this method, when creating a system of difference equations, an arbitrary degree of the Taylor polynomial can be chosen in the expansion of the sought-for solution of the problem into a Taylor series.In this paper, the possible boundary conditions of a differential boundary value problem are written both in the form of derived degrees from zero to three, and in the form of linear combinations of these degrees. The boundary problem is called symmetric if the numbers of the boundary conditions in the left and right boundaries coincide and are equal to two, otherwise it is asymmetric.For a differential boundary value problem, an approximate difference boundary value problem in the form of two subsystems has been built. The first subsystem includes equations for which the boundary conditions of the boundary value problem were not used; the second one includes four equations in the construction of which the boundary conditions of the problem were used.Theoretically, the patterns between the order of approximation and the degree of the Taylor polynomial were identified.The results are as follows:a) the approximation order of the first and second subsystems is proportional to the degree of the Taylor polynomial used;b) the approximation order of the first subsystem is two units less than the degree Taylor polynomial with its even value and three units less with its odd value;c) the approximation order of the second subsystem is three units less than the degree Taylor polynomial regardless of both even-parity or odd-parity of this degree, and the degree of the highest derivative in the boundary conditions of the boundary value problem.The approximation order of the difference boundary value problem with all possible combinations of boundary conditions is calculated.The theoretical conclusions are confirmed by numerical experiments.

About the authors

Vladimir Nikolaevich Maklakov

Samara State Technical University

Candidate of physico-mathematical sciences, Associate professor

Mariya Aleksandrovna Ilicheva

Samara State Technical University

References

  1. Радченко В. П., Усов А. А., "Модификация сеточных методов решения линейных дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами на основе тейлоровских разложений", Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 2008, № 2(17), 60-65
  2. Keller H. B., "Accurate difference methods for nonlinear two-point boundary value problems", SIAM J. Numer. Anal., 11:2 (1974), 305-320
  3. Lentini M., Pereyra V., "A variable order finite difference method for nonlinear multipoint boundary value problems", Math. Comp., 28:128 (1974), 981-1003
  4. Keller H. B., "Numerical solution of boundary value problems for ordinary differential equations: Survey and some resent results on difference methods", Numerical Solutions of Boundary Value Problems for Ordinary Differential Equations, Part I: Survey Lectures, ed. A. K. Aziz, Academic Press, New York, 1975, 27-88
  5. Годунов С. К., Рябенький В. С., Разностные схемы. Введение в теорию, Наука, М., 1977, 439 с.
  6. Формалеев В. Ф., Ревизников Д. Л., Численные методы, Физматлит, М., 2004, 400 с.
  7. Самарский А. А., Теория разностных схем, Наука, М., 1977, 656 с.
  8. Самарский А. А., Гулин А. В., Численные методы, Наука, М., 1973, 432 с.
  9. Самарский А. А., Гулин А. В., Устойчивость разностных схем, Наука, М., 1973, 416 с.
  10. Boutayeb A., Chetouani A., "Global Extrapolations Of Numerical Methods For Solving A Parabolic Problem With Non Local Boundary Conditions", Intern. J. Comp. Math., 80:6 (2003), 789-797
  11. Boutayeb A., Chetouani A., "A numerical comparison of different methods applied to the solution of problems with non local boundary conditions", Appl. Math. Sci., 1:44 (2007), 2173-2185
  12. Маклаков В. Н., "Оценка порядка аппроксимации матричного метода численного интегрирования краевых задач для линейных неоднородных обыкновенных дифференциальных уравнений второго порядка", Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 2014, № 3(36), 143-160
  13. Маклаков В. Н., "Оценка порядка аппроксимации матричного метода численного интегрирования краевых задач для систем линейных неоднородных обыкновенных дифференциальных уравнений второго порядка с переменными коэффициентами. Сообщение 2. Краевые задачи с граничными условиями второго и третьего рода", Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 21:1 (2017), 55-79
  14. Маклаков В. Н., Стельмах Я. Г., "Численное интегрирование матричным методом краевых задач для линейных неоднородных обыкновенных дифференциальных уравнений третьего порядка с переменными коэффициентами", Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 22:1 (2018), 153-183
  15. Фихтенгольц Г. М., Курс дифференциального и интегрального исчисления, т. 1, Наука, М., 1970, 608 с.
  16. Курош А. Г., Курс высшей алгебры, Наука, М., 1971, 431 с.
  17. Закс Л., Статистическое оценивание, Статистика, М., 1976, 598 с.
  18. Камке Э., Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям, Наука, М., 1976, 576 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2020 Samara State Technical University

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».