应用python,用五点差分格式计算如下问题:−∆u = (π2 − 1)exsin(πy), 0 < x < 2, 0 < y < 1;u(0, y) = sin(πy), u(2, y) = e2sin(πy), 0 ≤ y ≤ 1;u(x, 0) = 0, u(x, 1) = 0, 0 < x < 2.将 [0, 2] 作 m1 等分,将 [0, 1] 作 m2 等分。用消元法、Gauss-Seidel 迭代法求解对应的差分方程组,精确至 ∥ u(l+1) − u(l) ∥∞≤0.5×10−10.

时间: 2023-11-30 14:05:14 浏览: 121
为了使用消元法和Gauss-Seidel迭代法求解该差分方程组,我们需要首先将问题离散化,并构建线性方程组。然后,我们可以使用消元法或Gauss-Seidel迭代法来求解该线性方程组,直到满足给定的收敛条件。 首先,我们将区域Ω离散化为m1个网格点沿x方向,m2个网格点沿y方向。定义步长hx = 2/m1和hy = 1/m2。 使用五点差分格式,我们可以将偏微分方程离散化为以下形式: u(i+1, j) - 2u(i, j) + u(i-1, j) + u(i, j+1) - 2u(i, j) + u(i, j-1) = (π^2 - 1)*exp(xi)*sin(πyj) 其中,i表示x方向的网格点索引,j表示y方向的网格点索引,xi = ihx,yj = jhy。 根据边界条件,我们可以得到以下等式: u(0, j) = sin(πyj) u(m1, j) = exp(2)*sin(πyj) u(i, 0) = 0 u(i, m2) = 0 接下来,我们可以构建线性方程组,并使用消元法或Gauss-Seidel迭代法来求解该方程组。请注意,这里我们使用矩阵表示法来表示线性方程组。 以下是一个示例的Python代码,使用消元法和Gauss-Seidel迭代法来求解该差分方程组: ```python import numpy as np def solve_by_elimination(m1, m2): hx = 2 / m1 hy = 1 / m2 N = (m1 + 1) * (m2 + 1) A = np.zeros((N, N)) b = np.zeros(N) # 构建线性方程组系数矩阵和右侧向量 for i in range(1, m1): for j in range(1, m2): k = i * (m2 + 1) + j A[k, k] = -2 / hx**2 - 2 / hy**2 A[k, k-1] = 1 / hx**2 A[k, k+1] = 1 / hx**2 A[k, k-(m2+1)] = 1 / hy**2 A[k, k+(m2+1)] = 1 / hy**2 b[k] = (np.pi**2 - 1) * np.exp(i * hx) * np.sin(np.pi * j * hy) # 处理边界条件 for j in range(m2 + 1): k = j A[k, k] = 1 b[k] = np.sin(np.pi * j * hy) k = m1 * (m2 + 1) + j A[k, k] = 1 b[k] = np.exp(2) * np.sin(np.pi * j * hy) for i in range(m1 + 1): k = i * (m2 + 1) A[k, k] = 1 b[k] = 0 k = i * (m2 + 1) + m2 A[k, k] = 1 b[k] = 0 # 求解线性方程组 u = np.linalg.solve(A, b) return u.reshape((m1+1, m2+1)) def solve_by_gauss_seidel(m1, m2): hx = 2 / m1 hy = 1 / m2 N = (m1 + 1) * (m2 + 1) u = np.zeros(N) # 构建线性方程组系数矩阵和右侧向量 A = np.zeros((N, N)) b = np.zeros(N) for i in range(1, m1): for j in range(1, m2): k = i * (m2 + 1) + j A[k, k] = -2 / hx**2 - 2 / hy**2 A[k, k-1] = 1 / hx**2 A[k, k+1] = 1 / hx**2 A[k, k-(m2+1)] = 1 / hy**2 A[k, k+(m2+1)] = 1 / hy**2 b[k] = (np.pi**2 - 1) * np.exp(i * hx) * np.sin(np.pi * j * hy) # 迭代求解线性方程组 max_iter = 1000 # 最大迭代次数 tol = 0.5e-10 # 收敛精度 for iter in range(max_iter): u_new = u.copy() for i in range(1, m1): for j in range(1, m2): k = i * (m2 + 1) + j u_new[k] = (b[k] - (A[k, :k] @ u_new[:k] + A[k, k+1:] @ u[k+1:])) / A[k, k] if np.linalg.norm(u_new - u, ord=np.inf) < tol: break u = u_new return u.reshape((m1+1, m2+1)) # 设置网格参数 m1 = 10 # x方向网格点数 m2 = 10 # y方向网格点数 # 使用消元法求解差分方程组 u_elimination = solve_by_elimination(m1, m2) # 使用Gauss-Seidel迭代法求解差分方程组 u_gauss_seidel = solve_by_gauss_seidel(m1, m2) print("通过消元法求解得到的数值解:") print(u_elimination) print("通过Gauss-Seidel迭代法求解得到的数值解:") print(u_gauss_seidel) ``` 请注意,上述代码使用了NumPy库进行数组操作和线性方程组的求解。你可以根据需要调整网格参数,以及修改收敛精度和最大迭代次数。
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