计算科学中最重要的定理是什么?

计算科学 有限元 pde 数字
2021-11-29 04:56:18

我正在阅读 Mats Larson 和 Fredrik Bengzon 所著的《有限元方法:理论、实现和应用》这本书的第 140 页,他们这样说:

“Lax-Milgram 引理是应用数学中最重要的定理之一”

但是,为什么?!...为了回答这个问题,我们回想起常微分方程和偏微分方程的许多边值问题可以用以下抽象变分形式提出:找到使得uV

(1)a(u,v)=l(v),  vV

其中是范数空间。例如泊松方程的有限元法中的弱公式。V

Lax-Milgram 引理为 ( ) 的解的存在性和唯一性提供了充分条件。1

然后我想知道,(*)what are the most important theorems in computational science?

我考虑过Picard 存在定理,它给出了初始值问题具有唯一解的条件。

我的问题由()给出。谢谢!*

2个回答

你会让每个人对这个问题给出不同的答案,也许这没关系。以下是我最喜欢的一些:

  • 泰勒定理,一个函数(足够平滑)等于它的泰勒展开加上一个余项。

  • 可以将 Bramble-Hilbert 引理视为泰勒定理的一种变体,但它有不同的应用,并且有其自身的重要性。

  • 关于变分问题解的存在性和唯一性的 Lax-Milgram 引理。

  • 关于鞍点问题的稳定解的 Babuska-Brezzi (LBB) 条件。

  • 高斯求积起作用的事实,即我们可以找到具有个点的求积规则的位置和权重,从而导致收敛。nO(h2n1)

  • 这个定理证明了牛顿寻找最小值(或函数的根)的方法在开始时足够接近解时收敛,并且将收敛半径与高阶导数的大小联系起来。

  • Krylov 子空间的定理可用于设计线性系统的迭代求解器,首先证明了共轭梯度法的收敛性。

其中每一个都被用于许多后续研究,这些研究已经将它们概括并适应了新的情况。

由于这是一个具有相当主观答案的问题,因此我将在班格思教授的非常好的列表中添加一对。

  • 伴随/对偶算子和空间定理对计算科学非常重要。我们知道 PDE 的对偶一致离散化可以获得超收敛性,这是一个很好的特性。但我认为更常用的结果是连续和离散伴随(主要是离散)允许基于输出的误差估计标准,用于网格细化和有效的梯度计算。据我所知,这些都用于大多数计算科学。
  • 多重网格/多级求解器背后的定理和算法。一些原始论文来自 Brandt,在 CFD 中您可以查看 Jameson/Mavriplis 论文。迪斯金(布兰特的学生之一)也写了很多关于这个话题的文章。多重网格几乎是最好的,可以应用于线性和非线性求解器,并使以前不可能的大规模问题成为可能。
  • 最后,我将在这里引入向量微积分,因为基本上我们模拟的每个 PDE 都使用向量微积分和散度定理。