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有限差分法

有限差分法(Finite Difference Method,簡稱FDM)是一種用於求解微分方程(包括常微分方程和偏微分方程)數值解的方法。其基本思想是用差商代替微商,將連續的微分方程轉化為離散的代數方程組,從而求得數值解。

在有限差分法中,首先將求解區域劃分為一系列格線點,然後在每個格線點處近似表示原方程的導數,例如,可以使用中心差分法前向差分法後向差分法來近似表示導數。將這些差分方程組合起來,得到一個方程組,可以使用常見的疊代法等求解方程組。

有限差分法的發展歷史悠久,最早由歐拉提出,隨著計算機技術的發展,快速準確地求解大量的代數方程組成為可能,有限差分法得到了廣泛的套用。其在工程領域有著廣泛的套用背景,例如在處理機翼的跨聲速繞流等混合型的偏微分方程問題時,其解可能包含各種間斷(如激波間斷、接觸間斷等),非線性問題的差分法求解是十分困難的。隨著電子計算機的發展,在解決各種非線性問題中,差分法得到了很快的發展,並且出現了許多新的思想和方法,如守恆差分格式,時間相關法分步法等。

此外,有限差分法在套用時需要考慮差分格式的解的存在性和唯一性、解的求法、解法的數值穩定性、差分格式的解與原定解問題的真解的誤差估計、差分格式的解當格線大小趨於零時是否趨於真解(即收斂性)等問題。