使用高阶有限差分方案有什么负面影响?

计算科学 有限差分 稳定
2021-12-21 19:24:04

我在看这个维基百科页面: http ://en.wikipedia.org/wiki/Finite_difference_coefficient

它是高阶有限差分近似的列表,除了它们需要解决的额外计算之外,使用这些是否有任何负面影响。

3个回答

高阶方法最突出的缺点是当解不平滑时,高阶方法会出现龙格现象这些振荡通常被非正式地称为“不稳定”。

实施困难,尤其是边界复杂的情况,可能是除效率之外的第二大影响因素。许多达到高阶的方法在计算上是不切实际的,尽管某些类别(例如,光谱元素)可能非常有效。非常高阶 FD 方法最常用于常规域中的DNS

作为 Jed 帖子的扩展,高阶有限差分方法通常不仅基于直接邻居,而且还基于远处的其他节点来计算一个节点的值。如果当前节点靠近边界(无论边界是否规则),这是一个问题:在这种情况下,当前节点的最近邻居可能是边界节点,在这种情况下,如果您知道它的值具有狄利克雷边界条件,但当前节点所依赖的较远节点可能不再位于域内。当你需要这些节点的值时你会怎么做?

另一个问题是模板相当大,因为它们耦合了很多节点。这意味着矩阵比低阶方法更稀疏,从而增加了求解线性系统的计算量。

根据你的顺序有多高,你会遇到很多令人沮丧的困难。秩序的导数N多项式增长为N2(请参阅马尔可夫不等式以使其更精确),并且这些大梯度(主要靠近元素的边界)通常会导致离散化中的虚假大特征值,使您必须解决可能在物理上没有意义的非常精细的尺度振荡首先。因此,尽管收敛的形式顺序更高,但在高阶机制中的有效实施并不那么简单。

此外,简单地计算离散导数算子也很困难。80 年代和 90 年代初的许多文献都在高阶差分矩阵的稳定计算上投入了大量精力。算子可能是高度非正态的,导致大量难以预测的数值垃圾。

我认为很多这些问题现在已经得到了很好的解决,但这只是意味着做更多的工作来让高阶变得有价值。