ใน FEM ทำไมเมทริกซ์ความแข็งเป็นบวกแน่นอน?


10

ในชั้นเรียน FEM มักจะได้รับการยอมรับว่าเมทริกซ์ความแข็งแน่นอนแน่นอน แต่ฉันก็ไม่เข้าใจว่าทำไม มีใครให้คำอธิบายบ้างไหม?

ตัวอย่างเช่นเราสามารถพิจารณาปัญหาปัวซอง: ซึ่งเมทริกซ์ความแข็งคือ: ซึ่ง มีความสมมาตรและเป็นบวกแน่นอน ความสมมาตรเป็นคุณสมบัติที่เห็นได้ชัด แต่ความแน่นอนในเชิงบวกนั้นไม่ชัดเจนสำหรับฉัน

2u=f,
Kij=ΩφiφjdΩ,

1
นี่ขึ้นอยู่กับสมการเชิงอนุพันธ์บางส่วนที่คุณพยายามจะแก้ คุณสามารถเพิ่มสิ่งที่คุณสนใจได้หรือไม่?
Christian Clason

สวัสดี @ChristianClason ขอขอบคุณสำหรับความคิดเห็นของคุณ ฉันได้เพิ่มตัวอย่างที่เป็นรูปธรรมของปัญหานี้
user123

3
Caveat: หากไม่มีเงื่อนไขขอบเขตเมทริกซ์ความแข็งของระบบที่สมบูรณ์ซึ่งประกอบจากเมทริกซ์องค์ประกอบจะไม่ได้รับการจัดอันดับอย่างเต็มที่เนื่องจากมีการแมปการเทียบเท่าของการเคลื่อนไหวของร่างกายที่แข็งท ดังนั้นเมทริกซ์ความแข็งสมบูรณ์ที่ดีที่สุดอาจเป็น semidefinite บวก อย่างไรก็ตามด้วยเงื่อนไขขอบเขตที่เหมาะสมการเคลื่อนไหวของร่างกายที่เข้มงวดนั้นถูกปิดใช้งานและระบบที่ถูก จำกัด ก็จะไม่ทำงาน (ไม่เช่นนั้นจะแก้ปัญหาไม่ได้) ดังนั้นเพื่อค้นหาความชัดเจนเชิงบวกที่เกิดขึ้นจริงคุณต้องดูเมทริกซ์ย่อซึ่งเป็นผลมาจากการใช้เงื่อนไขขอบเขต
ccorn

คำตอบ:


13

คุณสมบัติต่อจากคุณสมบัติของสมการเชิงอนุพันธ์ย่อย (ส่วนที่อ่อนแอ) นี่เป็นหนึ่งในข้อดีของวิธีไฟไนต์อีลิเมนต์เมื่อเทียบกับเช่นวิธีผลต่างอันตะ

หากต้องการดูว่าสิ่งแรกจำได้ว่าวิธีไฟไนต์อิลิเมนต์เริ่มต้นจากรูปแบบที่อ่อนแอของสมการปัวซอง (ฉันสมมติว่าเงื่อนไขขอบเขต Dirichlet ที่นี่): หาเช่น คุณสมบัติที่สำคัญนี่คือ (สิ่งนี้ตามมาจากความไม่เท่าเทียมของPoincaré)uH01(Ω)

a(u,v):=Ωuvdx=Ωfvdxfor all vH01(Ω).
(1)a(v,v)=vL22cvH12for all vH01(Ω).

ตอนนี้วิธีดั้งเดิม จำกัด องค์ประกอบคือแทนที่มิติ - อวกาศโดยขอบเขตมิติ จำกัดและหาเช่น คุณสมบัติที่สำคัญที่นี่คือ คุณกำลังใช้และ subspace ( discretization ที่สอดคล้องกัน ); นั่นหมายความว่าคุณยังมี H01(Ω) VhH01(Ω)uhVh

(2)a(uh,vh):=Ωuhvhdx=Ωfvhdxfor all vhVh.
aVhH01(Ω)
(3)a(vh,vh)cvhH12>0for all vhVh.

ตอนนี้สำหรับขั้นตอนสุดท้าย: ในการแปลงรูปแบบความแปรปรวนเป็นระบบของสมการเชิงเส้นคุณเลือกพื้นฐานของเขียนและแทรก ,เข้า(2)เมทริกซ์ความแข็งนั้นมีรายการ (ซึ่งสอดคล้องกับสิ่งที่คุณเขียน){φ1,,φN}Vhuh=i=1Nuiφivh=φj1jN(2)KKij=a(φi,φj)

ตอนนี้ใช้โดยพลเวกเตอร์และชุดV_h จากนั้นเรามีโดยและ bilinearity ของ (กล่าวคือคุณสามารถย้ายสเกลาร์และผลรวมเป็นอาร์กิวเมนต์ทั้งสอง) เนื่องจากเป็นกฎเกณฑ์นี่ก็หมายความว่านั้นแน่นอนแน่นอนv=(v1,,vN)TRNvh:=i=1NviφiVh(3)a

vTKv=i=1Nj=1NviKijvj=i=1Nj=1Na(viφi,vjφj)=a(vh,vh)>0.
vK

TL; DR:เมทริกซ์ตึงเป็นบวกแน่นอนเพราะมันมาจากความไม่ต่อเนื่องตามนโยบายของ (ตัวเอง adjoint) รูปไข่สมการอนุพันธ์ย่อย


2

หากความแข็งขององค์ประกอบไม่เป็นบวกระบบจะไม่เสถียร ดังนั้นรูปแบบส่วนใหญ่จึงไม่ถูกต้อง ดูสมการพื้นฐานที่สุดของออสซิลเลเตอร์ฮาร์มอนิก

mx(t)+kx(t)=f(t)

การแก้ปัญหาไม่เสถียรถ้าเป็นลบ (ดูที่รากของสมการลักษณะ) มันหมายถึงการแก้ปัญหาจะระเบิด ความฝืดต้องเป็นพลังในการฟื้นฟู อย่างน้อยสำหรับฤดูใบไม้ผลิทางกายภาพ เมทริกซ์ความแข็งขยายไปถึงองค์ประกอบจำนวนมาก (เมทริกซ์ความแข็งทั่วโลก) นั้นคือทั้งหมด. แต่มันเป็นแนวคิดพื้นฐานเดียวกัน พื้นฐาน FEM อยู่ในวิธีเมทริกซ์ความแข็งสำหรับการวิเคราะห์โครงสร้างที่แต่ละองค์ประกอบมีความแข็งที่เกี่ยวข้องk

โดยการใช้ไซต์ของเรา หมายความว่าคุณได้อ่านและทำความเข้าใจนโยบายคุกกี้และนโยบายความเป็นส่วนตัวของเราแล้ว
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.