简单的差分格式解一个一元二阶常微分方程

对于一个如下的一元二阶常微分方程
{ − u ′ ′ + q ( x ) u = f ( x )    a < x < b u ( a ) = α    u ( b ) = β \begin{cases} -u''+q\left( x \right) u=f\left( x \right) \,\, a<x<b\\ u\left( a \right) =\alpha \,\,u\left( b \right) =\beta\\ \end{cases} {u′′+q(x)u=f(x)a<x<bu(a)=αu(b)=β
其中二阶导数可以换成差分格式
u ′ ′ ( x i ) = 1 h 2 ( u ( x i − 1 ) − 2 u ( x i ) + u ( x i + 1 ) ) u''\left( x_i \right) =\frac{1}{h^2}\left( u\left( x_{i-1} \right) -2u\left( x_i \right) +u\left( x_{i+1} \right) \right) u′′(xi)=h21(u(xi1)2u(xi)+u(xi+1))
u ( x i ) u(x_i) u(xi)简写为 u i u_i ui
− u i − 1 h 2 + ( q ( x i ) + 2 h 2 ) u i − u i + 1 h 2 = f ( x i ) -\frac{u_{i-1}}{h^2}+\left( q\left( x_i \right) +\frac{2}{h^2} \right) u_i-\frac{u_{i+1}}{h^2}=f\left( x_i \right) h2ui1+(q(xi)+h22)uih2ui+1=f(xi)
将a到b的区域平均分成m份,解以上的式子可以看做解一个三对角方程组
( 2 + h 2 q ( x 1 ) − 1 − 1 2 + h 2 q ( x 2 ) − 1 ⋱ ⋱ ⋱ − 1 2 + h 2 q ( x m − 2 ) − 1 − 1 2 + h 2 q ( x m − 1 ) ) ( u 1 u 2 ⋮ u m − 2 u m − 1 ) = ( h 2 f ( x 1 ) + α h 2 f ( x 2 ) ⋮ h 2 f ( x m − 2 ) h 2 f ( x m − 1 ) + β ) \left( \begin{matrix} \begin{matrix} 2+h^2q(x_1)& -1& \\ -1& 2+h^2q(x_2)& -1\\ & \ddots& \ddots\\ \end{matrix}& \begin{matrix} & & \\ & & \\ \ddots& & \\ \end{matrix}\\ \begin{matrix} & & \\ & & \\ & & \\ \end{matrix}& \begin{matrix} -1& 2+h^2q(x_{m-2})& -1\\ & -1& 2+h^2q(x_{m-1})\\ & & \\ \end{matrix}\\ \end{matrix} \right) \left( \begin{array}{c} u_1\\ u_2\\ \begin{array}{c} \vdots\\ u_{m-2}\\ \end{array}\\ u_{m-1}\\ \end{array} \right) =\left( \begin{array}{c} h^2f\left( x_1 \right) +\alpha\\ h^2f\left( x_2 \right)\\ \begin{array}{c} \vdots\\ h^2f\left( x_{m-2} \right)\\ \end{array}\\ h^2f\left( x_{m-1} \right) +\beta\\ \end{array} \right) 2+h2q(x1)112+h2q(x2)112+h2q(xm2)112+h2q(xm1) u1u2um2um1 = h2f(x1)+αh2f(x2)h2f(xm2)h2f(xm1)+β
这里是左右两边同时乘以 h 2 h^2 h2之后展开成的矩阵形式,取 f ( x ) = e x ( sin ⁡ ( x ) − 2 cos ⁡ ( x ) ) f(x)=e^x(\sin(x)-2\cos(x)) f(x)=ex(sin(x)2cos(x)) q ( x ) = 1 q(x)=1 q(x)=1代码如下


#include<stdio.h>
#include<math.h>
#define M_PI 3.14159265358979323846

#define M 20 //m等分
#define N M-1
/*
a、b、c是三对角矩阵的下对角线、主对角线和上对角线的元素,d是右侧向量,x是结果向量
*/
void thomas(double a[], double b[], double c[], double d[], double x[])
{
    double y[N],p[N],q[N];
    int i;
    p[0]=b[0];
    for(i=0;i<N-1;i++){
        q[i]=c[i]/p[i];
        p[i+1]=b[i+1]-a[i]*q[i];
    }
    y[0]=d[0]/p[0];
    for(i=1;i<N;i++){
        y[i]=(d[i]-a[i-1]*y[i-1])/p[i];
    }
    x[N-1]=y[N-1];
    for(i=N-2;i>=0;i--){
        x[i]=y[i]-q[i]*x[i+1];
    }
}

double f(double x){
    return exp(x)*(sin(x)-2*cos(x));
}

double q(double x){
    return 1;
}
int main(){
    double a=0.0;//下限
    double b=M_PI;//上限
    double h=(b-a)/M;//步长
    double alpha=0.0;
    double beta=0.0;
    double zhu[N],xia[N-1],shang[N-1],you[N],x[N];
    int i;
    for(i=0;i<N;i++){
        zhu[i]=q(a+i*h+h)*h*h+2;
        you[i]=f(a+i*h+h)*h*h;
    }
    you[0]+=alpha;
    you[N-1]+=beta;
    for(i=0;i<N-1;i++){
        xia[i]=-1;
        shang[i]=-1;
    }
    thomas(xia,zhu,shang,you,x);
    for(i=0;i<N;i++){
        printf("u[%d]=%lf\n",i+1,x[i]);
    }
    return 0;
}

这里也包含了追赶法求三对角矩阵的函数

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