加权余量法(Weighted residual approach),又称加权残量法,加权残余法。当 n 有限时,定解方程存在偏差(余量)。取权函数,强迫余量在某种平均意义上为零。采用使余量的加权积分为零的等效积分的“弱”形式来求得微分方程近似解的方法称为加权余量法。
概述
加权余量法是一种可以直接从微(积)分方程式求得近似解的数学方法,在计算力学中应用较多。在固体力学中,是求解线性、非线性微分方程的一种有效方法,它是基于等效积分形式的近似方法,也是通用的数值计算方法.有限元法、边界元法、无网格法都是加权余量法的特殊情况,由于这三种方法各有其特点,所以都各自发展为一种独立的方法,加权余量法最早是用于流体力学,传热等科学领域,后在固体力学中得到了更大的发展。
原理
先假设一个称为试函数的近似函数,把它代入要求解的微分方程和边界条件或初值条件;这样的函数一般不能完全满足这些条件,因而出现误差,即出现残数或残值;选择一定的权函数与残数相乘,列出在解的域内消灭残数的方程式,就可以把求解微分方程的问题转化为数值计算问题,从而得出近似解。
如某—应用科学问题的控制微分方程式和边界条件分别为:
Fu-f=0 (V域), (1)
Gu-f=0 (S边界), (2)
式中u为待求函数,F和G为算符;f和g为不含u的项。设试函数为:
式中Ci为待定参数或函数。式(3)一般不能满足式(1)和式(2),从而出现内部残数Ri和边界函数Rb,即
为消灭残数,分别以内部权函数W1和边界权函数Wb乘式(4)和(5),列出消除残数的方程:
它们将转变为代数方程式,从这些方程式求出Ci,就获得满足式(1)和式(2)的近似解(3)。
若解(3)中所选择的试函数项Ni,事先已能满足式(2),则只需用式(6)消除残数,这种方法称为内部法。若Ni已满足式(1),则只需用式(7)消灭残数,这种方法称为边界法。若Ni既不满足式(1),又不满足式(2),则须用式(6)和式(7),这种方法称为混合法。
作为一种数值计算方法,加权残数法具有下述优点:①原理的统一性:寻求控制微分方程式的近似解,不分问题的类型和性质;②应用的广泛性:数学、固体力学、流体力学、热传导、核物理和化工等多学科的问题都能应用;既可解边值问题、特征值问题和初值问题,也可解非线性问题;③不依赖于变分原理:在泛函不存在时也能解题;④计算误差可知;⑤方法一般比较简单、快速、准确,工作量少,程序简单。
权函数的选择
加权余量法是求解微分方程近似解的一种有效方法.显然,任何独立的完全函数都可用来作为权函数,加权余量法可分为内部法、边界法和混合法,在内部法中,又可分为
1. 配点法,以笛拉克函数δ作为权函数
2. 子域法
3. 最小二乘法
4. 力矩法
5. 伽辽金法