Phương pháp giảm cơ sở giải phương trình elliptic bức tuyến tính phụ thuộc tham số

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC PHẠM THỊ THÙY NHUNG PHƯƠNG PHÁP GIẢM CƠ SỞ GIẢI PHƯƠNG TRÌNH ELLIPTIC BỨC TUYẾN TÍNH PHỤ THUỘC THAM SỐ LUẬN VĂN THẠC SĨ TOÁN HỌC Thái Nguyên - 2015 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC PHẠM THỊ THÙY NHUNG PHƯƠNG PHÁP GIẢM CƠ SỞ GIẢI PHƯƠNG TRÌNH ELLIPTIC BỨC TUYẾN TÍNH PHỤ THUỘC THAM SỐ Chuyên ngành: Toán ứng dụng Mã số: 60 46 01 12 LUẬN VĂN THẠC SĨ TOÁN HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN THANH SƠN Thái Nguyên - 2015 i Mục lục Tóm tắt nội dung iii Lời cảm ơn iv Mở đầu 1 0.1 Lý do chọn đề tài . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0.2 Mục đích nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0.3 Nhiệm vụ nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0.5 Phương pháp nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 Kiến thức chuẩn bị 5 1.1 Không gian tích vô hướng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2 Dạng tuyến tính và dạng song tuyến tính . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2.1 Dạng tuyến tính . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2.2 Dạng song tuyến tính . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3 Dạng tuyến tính và dạng song tuyến tính phụ thuộc tham số . . . . . . 8 1.3.1 Sự phụ thuộc affine vào tham số . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3.2 Tính bức phụ thuộc tham số . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2 Phương pháp giảm cơ sở 11 2.1 Không gian hàm và dạng yếu của phương trình elliptic . . . . . . . . . 11 2.1.1 Dạng yếu phụ thuộc tham số . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 ii 2.1.2 Tích vô hướng và chuẩn khác . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2 Không gian và cơ sở xấp xỉ hữu hạn chiều . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2.1 Rời rạc hóa bài toán . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2.2 Phép chiếu Galerkin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.3 Phương trình đại số . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3 Giảm cơ sở . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.1 Không gian và cơ sở . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.2 Phép chiếu lên không gian số chiều nhỏ . . . . . . . . . . . . 18 2.3.3 Phương trình đại số . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.4 Thủ tục tính toán Online- Offline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.5 Thuật toán Greedy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.6 Ước lượng sai số hậu nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.6.1 Cận dưới của hằng số liên tục . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.6.2 Cận trên của hằng số liên tục . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.6.3 Những kiến thức cần thiết khác . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.6.4 Ước lượng sai số . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.6.5 Cận của sai số tương ứng với chuẩn trên X . . . . . . . . . . . 30 3 Ví dụ số 32 Kết luận 34 Tài liệu tham khảo 35 iii TÓM TẮT NỘI DUNG Luận văn được viết có nội dung về phương pháp giảm cơ sở cho phương trình elliptic phụ thuộc tham số. Chúng tôi trình bày đầy đủ các nguyên liệu để người đọc có thể hiểu một cách chi tiết việc xây dựng phương pháp, cụ thể là phép chiếu Galerkin, thuật toán Greedy và cận dưới của hằng số bức phụ thuộc tham số sử dụng phép cách tiếp cận min −θ. iv Lời cảm ơn Luận văn này được thực hiện và hoàn thành tại Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên. Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo đã tận tình giảng dạy, bồi dưỡng kiến thức trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và rèn luyện tại trường. Tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Thanh Sơn đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình viết luận văn. Xin chân thành cảm ơn. Thái Nguyên, 2015 Phạm Thị Thùy Nhung Học viên Cao học Toán K7A, Trường ĐH Khoa học - ĐH Thái Nguyên 1 Mở đầu 0.1 Lý do chọn đề tài Để bắt đầu, ta hãy xét Bài toán Dirichlet cho phương trình Poisson −∆y = f, trong Ω, y = 0, trên Γ, (1) trong đó Ω là miền bị chặn trong R k , k ≥ 2 có biên Γ thỏa mãn điều kiện Lipschitz và f ∈ L 2 (Ω). Với dữ liệu trên Bài toán (1) không thể có nghiệm cổ điển y ∈ C 2 (Ω)∩C( ¯ Ω) mà thay vào đó, người ta xét nghiệm suy rộng của Bài toán (1). Nhắc lại rằng, L 2 (Ω) là một không gian Hilbert với tích vô hướng f, g =  L 2 (Ω) f(x)g(x)dx và H 1 0 (Ω) = {g ∈ L 2 (Ω) : ∃ ∂g ∂x i ∈ L 2 Ω và g| Γ = 0} là không gian hàm suy rộng trên Ω. Bài toán (1) được đưa về dạng đẳng thức biến phân như sau: Tìm y ∈ H 1 0 (Ω)  Ω y  vdx =  Ω f(x)v(x)dx, ∀y ∈ H. (2) Bây giờ ta định nghĩa dạng tuyến tính f : H 1 0 (Ω) → R trong đó, f(v) với v ∈ H 1 0 (Ω), f(v) =  Ω f(x)v(x)dx và dạng song tuyến tính a : H 1 0 (Ω) × H 1 0 (Ω) → R 2 với a(w, v) =  Ω y.  vdx . Theo đó Bài toán (2) có thể được viết lại như sau a(y, v) = f(v), ∀v ∈ H 1 0 (Ω). Lưu ý rằng, H 1 0 (Ω) là không gian con của không gian H 1 (Ω) với tích vô hướng w, v =  Ω (wv + w  v)dx và chuẩn tương ứng ||v|| H 1 (Ω) =   Ω (v 2 + v 2 )dx  1/2 . (3) Theo Bất đẳng thức Fr iedrichs  Ω v 2 d(x) ≤ C(Ω)  Ω v 2 dx, với C(Ω) là một hằng số chỉ phụ thuộc vào Ω, ta suy ra a(v, v) ≥ 1 1 + C(Ω) ||v|| 2 H 1 (Ω) . (4) Bất đẳng thức (4) được gọi là tính chất bức. Thêm vào đó, từ Bất đẳng thức Cauchy- Schwarz ta suy ra |a(w, v)| ≤ ||w|| H 1 (Ω) ||v|| H 1 (Ω) , (5) đây được gọi là tính liên tục của a. Trong khi xét Bài toán (1) là ta đã ngầm định rằng phương trình đó là không phụ thuộc tham số. Trong thực tế, khi sử dụng Bài toán (1) như là một mô hình toán học cho hiện tượng tr uyền nhiệt dừng, người ta có thể muốn giữ lại hằng số dẫn nhiệt như là một tham số. Việc này cho phép sử dụng mô hình cho nhiều chất dẫn nhiệt có hằng số dẫn nhiệt khác nhau. Tương tự như thế, hàm nguồn f cũng có thể phụ thuộc vào tham số. Tổng quát, người ta có thể xét bài toán phụ thuộc tham số a(y, v; µ) = f(v; µ), ∀v ∈ V, µ ∈ D ⊂ R k . (6) Và cuối cùng, trong rất nhiều trường hợp, người ta không quan tâm đến toàn bộ trạng thái y mà chỉ là một phần thông tin của trạng thái được biểu diễn bởi s(µ) = (y; µ), (7) 3 trong đó, g cũng là một dạng tuyến tính phụ thuộc tham số. Bài toán đặt ra ở đây là: với mỗi µ ∈ D, tính s(µ). Đối với những bài toán thực tế cùng yêu cầu cao về tính chính xác, cỡ của bài toán thường rất lớn, hàng nghìn cho đến hàng triệu. Với đặc thù cần phải tính nghiệm, hoặc thông tin liên quan đến nghiệm nhiều lần (many-query context), máy tính sẽ phải mất nhiều thời gian để giải mô hình cỡ lớn với nhiều giá trị khác nhau của tham số. Yêu cầu đặt ra là tìm được một thuật toán để sao cho, việc tính toán nghiệm nhanh nhưng vẫn đảm bảo kiểm soát được sai số. Do vậy, phương pháp giảm cơ sở là đặc biệt cần thiết để xử lý những bài toán dạng này. Với lí do trên, chúng tôi đã chọn "Phương pháp giảm cơ sở giải phương tr ình elliptic bức tuyến tính phụ thuộc tham số" làm đề tài cho luận văn thạc sĩ. Luận văn gồm 3 chương. • Chương 1: Kiến thức chuẩn bị Trong chương này, chúng tôi sẽ nhắc lại những lý thuyết cần thiết cho việc trình bày phương pháp ở chương sau. Chúng bao gồm phép chiếu Galerkin, rời rạc hóa phương trình, tính bị chặn, tính bức, tính phụ thuộc affine . . . • Chương 2: Phương pháp giảm cơ sở Trong chương này, trước tiên chúng tôi sẽ trình bày sơ lược cách rời rạc hóa bài toán (6) - (7) bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Sau đó, phép chiếu Galerkin được sử dụng để giảm kích cỡ của cơ sở cũng đồng thời giảm kích cỡ của bài toán. Cuối cùng, chúng tôi tập trung trình bày các "nguyên liệu" cũng như kết quả phục vụ cho việc xây dựng, cơ sở giảm đó. 4 • Chương 3: Ví dụ số Chương này đưa ra 2 ví dụ minh họa được lập trình trên MATLAP với dữ liệu được lấy từ mô hình thực tế trong khoa học kĩ thuật. 0.2 Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết phương pháp giảm cơ sở và áp dụng nó để giải phương trình elliptic bức tuyến tính phụ thuộc tham số. 0.3 Nhiệm vụ nghiên cứu Luận văn tập trung làm rõ một số vấn đề sau đây, trình bày ý tưởng của phương pháp giảm cơ sở giải phương trình elliptic bức tuyến tính phụ thuộc tham số, các khái niệm và tính chất liên quan đến phương pháp, nội dung phương pháp và cuối cùng là áp dụng phương pháp này cho một số ví dụ thực tế. 0.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu • Đối tượng nghiên cứu: Phương pháp giảm cơ sở • Phạm vi nghiên cứu: Bài toán elliptic bức tuyến tính phụ thuộc affine vào tham số. 0.5 Phương pháp nghiên cứu • Đọc và nghiên cứu một số tài liệu liên quan như sách, báo, tạp chí, luận văn thạc sĩ, tiến sĩ. • Sử dụng nhiều kiến thức của đại số tuyến tính ứng dụng, giải tích hàm. • Kiểm chứng các kết quả lý thuyết bằng ví dụ số lập trình trên MATLAP. [...]... là affine theo tham số hay phụ thuộc affine vào tham số µ nếu Qb q θb (µ)bq (w, v), ∀w ∈ Z1 , v ∈ Z2 , b(w, v, µ) = q=1 q cho một số hữu hạn Qb ; ở đây θb : D → R, 1 ≤ q ≤ Qb là hàm phụ thuộc tham số, và bq (w, v) : Z × Z → R, 1 ≤ q ≤ Qb là dạng song tuyến tính liên tục độc lập với tham số 1.3.2 Tính bức phụ thuộc tham số Chúng ta nói một dạng tuyến tính phụ thuộc affine vào tham số b : Z ×Z ×D → R... thuộc tham số bị chặn g : Z × D → R là affine theo tham số hay phụ thuộc affine vào tham số µ Qg q θg (µ)g q (v), ∀v ∈ Z, g(v; µ) = q=1 q cho một số Qg hữu hạn; ở đây θg : D → R, 1 ≤ q ≤ Qg , là hàm phụ thuộc tham số, và g q (v) : Z → R, 1 ≤ q ≤ Qg , là dạng tuyến tính bị chặn độc lập với tham số µ Cũng như vậy, chúng ta nói rằng dạng song tuyến tính phụ thuộc tham số b : Z × Z × D → R là affine theo tham. .. thiệu một tham số trên miền đóng, bị chặn D ⊂ Rd Ta kí hiệu các véc tơ tham số trên miền D là µ = (µ1 , , µd ) Ta nói g : Z × D → R là dạng tuyến tính phụ thuộc tham số nếu, với mỗi µ ∈ D, g(.; µ) : Z → R là một dạng tuyến tính Ta nói dạng tuyến tính phụ thuộc tham số g là bị chặn (hoặc liên tục) nếu với mọi µ ∈ D, g(.; µ) ∈ Z Chú ý rằng chuẩn đối ngẫu của một dạng tuyến tính phụ thuộc tham số g , g(.;... đúng với hàm hữu hạn phụ thuộc vào µ trên D Tương tự, b : Z × Z × D → R là một dạng song tuyến tính phụ thuộc tham số nếu với mọi µ ∈ D, b(., ; µ) : Z × Z → R là một dạng song tuyến tính Ta nói một dạng song tuyến tính phụ thuộc tham số b : Z × Z → R là đối xứng nếu b(w, v, µ) = b(v, w, µ), ∀w, v ∈ Z, ∀µ ∈ D Chúng tôi định nghĩa phần đối xứng của dạng song tuyến tính phụ thuộc tham số b : Z × Z × D →... song tuyến tính phụ thuộc tham số b: Z × Z × D → R là bức trên Z nếu α(µ) ≡ inf w∈Z b(w, w; µ) > 0, ∀µ ∈ D w Z v Z (1.2) Chúng tôi định nghĩa (0 0 (1.1) Chú ý rằng tính bức chỉ liên quan đến phần đối xứng của b Theo đó, chúng ta thay thế b trong (1.1) bởi bs Một dạng song tuyến tính Z × Z → R là liên tục trên Z nếu với γ là hằng số liên tục γ ≡ sup sup w∈Z v∈Z b(w, w) < +∞ ||w||Z ||v||Z 8 1.3 Dạng tuyến tính và dạng song tuyến tính phụ thuộc tham số. .. (1.5) 11 Chương 2 Phương pháp giảm cơ sở Trong chương này, trước tiên chúng tôi sẽ trình bày sơ lược cách rời rạc hóa bài toán (6) - (7) bằng phương pháp phần tử hữu hạn Sau đó, phép chiếu Galerkin được sử dụng để giảm kích cỡ của cơ sở cũng đồng thời giảm kích cỡ của bài toán Cuối cùng, chúng tôi tập trung trình bày các "nguyên liệu" cũng như kết quả phục vụ cho việc xây dựng, cơ sở giảm đó 2.1 2.1.1... v2 , · · · vN ]T ∈ RN là hệ số trong khai triển tương ứng với cơ sở FEM 2.3 2.3.1 Giảm cơ sở Không gian và cơ sở Đầu tiên chúng tôi gọi số chiều cực đại của không gian giảm cơ sở, kí hiệu là Nmax (Giả sử rằng Nmax < N Sau đó, chúng tôi giới thiệu một tập hợp các hàm độc lập tuyến tính ξ n ∈ X e , 1 ≤ n ≤ Nmax , mà thông qua đó chúng tôi định nghĩa không gian xấp xỉ cơ sở giảm XN = span{ξ n , 1 ≤ n... thì được gọi là không gian Hilbert 1.2 1.2.1 Dạng tuyến tính và dạng song tuyến tính Dạng tuyến tính Định nghĩa 1.4 Một ánh xạ g : Z → R được gọi là một ánh xạ tuyến tính hay dạng tuyến tính nếu, cho bất kì α ∈ R, w, v ∈ Z, g(αw + v) = αg(w) + g(v) Dạng tuyến tính g là bị chặn hay liên tục trên Z nếu |g(v)| ≤ C||v||Z , ∀v ∈ Z, với C là hằng số không phụ thuộc vào v Định nghĩa 1.5 Cho Z là không gian... ) ≤ ||f ||(X e ) , • αN (µ) ≥ αe (µ), ∀µ ∈ D và vì thế a bức trên X N , • γ N (µ) ≤ γ e (µ), ∀µ ∈ D và vì thế a liên tục trên X N , 15 • a và f vẫn phụ thuộc affine vào tham số, • a thỏa mãn bức tham số trên X N Từ (2.9) về tính hội tụ của phương pháp Galerkin ta suy ra εN = max ||u(µ) − uN (µ)||X e → 0 µ∈D khi N → ∞ 2.2.3 Phương trình đại số Chúng ta khai triển nghiệm uN (µ) N N uN (µ)ϕN (x), j j . phương pháp giảm cơ sở giải phương trình elliptic bức tuyến tính phụ thuộc tham số, các khái niệm và tính chất liên quan đến phương pháp, nội dung phương pháp và cuối cùng là áp dụng phương pháp. lý thuyết phương pháp giảm cơ sở và áp dụng nó để giải phương trình elliptic bức tuyến tính phụ thuộc tham số. 0.3 Nhiệm vụ nghiên cứu Luận văn tập trung làm rõ một số vấn đề sau đây, trình bày. 7 1.3 Dạng tuyến tính và dạng song tuyến tính phụ thuộc tham số . . . . . . 8 1.3.1 Sự phụ thuộc affine vào tham số . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3.2 Tính bức phụ thuộc tham số . . . .