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物理代写|空气动力学代写Aerodynamics代考|Variational Foundations of the Finite Element Method

In order to clarify the variational foundations of the finite element method, we examine in this section the one-dimensional elliptic equation
$$
L u=f
$$
on a domain from $a$ to $b$, where
$$
L u=-\frac{d}{d x} p \frac{d u}{d x}+q u
$$
with $p(x) \geq p_{\min }>0, q(x) \geq 0$, and Dirichlet or Neumann boundary conditions
$$
\begin{aligned}
&u(a)=u_L \text { or } u^{\prime}(a)=0 \
&u(b)=u_R \text { or } u^{\prime}(b)=0
\end{aligned}
$$
either at both ends, or one at each end. This is the most general second order selfadjoint linear operator. We seek a solution $u(x)$ in a space $\mathcal{S}$ of twice-differentiable functions that satisfy any Dirichlet boundary conditions that may be specified.
The solution of this problem minimizes the functional
$$
I(u)=\frac{1}{2} \int_a^b\left(p u^{\prime 2}+q u^2-2 f u\right) d x .
$$
Suppose that $u(x)$ is modified by the addition of $\delta u(x)=\epsilon v(x)$, where $\epsilon$ is small. The corresponding variation of $I$ is
$$
\begin{aligned}
\delta I &=I(u+\delta u)-I(u) \
&=\epsilon V_1+\epsilon^2 V_2,
\end{aligned}
$$

where
$$
V_1=\int_a^b\left(p u^{\prime} v^{\prime}+q u v-f v\right) d x
$$
and
$$
V_2=\frac{1}{2} \int_a^b\left(p v^2+q v^2\right) d x \geq 0
$$

物理代写|空气动力学代写Aerodynamics代考|Error estimates based on the variational form

An error estimate for the solution error $u-u_h$ can be derived by the following argument. First, since the trial space $\mathcal{S}_h$ is a subspace of the solution space $\mathcal{S}, u$ satisfies
$$
a\left(u, v_h\right)=\left(f, v_h\right)
$$
for all $v_h$ in $\mathcal{S}_h$, and hence it follows from (3.41) and (3.42) that
$$
a\left(u-u_h, v_h\right)=0 .
$$
In other words, the error is orthogonal to all test functions $v_h$ in $\mathcal{S}_h$. But this implies that $u_h$ also minimizes $a\left(u-u_h, u-u_h\right)$ over $\mathcal{S}_h$ since
$$
a\left(u-u_h-\epsilon v_h, u-u_h+\epsilon v_h\right)=a\left(u-u_h, u-u_h\right)-2 \epsilon a\left(u-u_h, v_h\right)+\epsilon^2 a\left(v_h, v_h\right) \text {, }
$$
where the middle term vanishes according to the orthogonality condition (3.44). Thus $u_h$ minimizes the energy $\frac{1}{2} a\left(u-u_h, u-u_h\right)$ of the error, and provided that $a(u, u)$ meets the requirements for a legitimate norm, we can regard this as a norm of the error.
Also, we can substitute $u_h$ for $v_h$ in (3.44) to obtain
$$
a\left(u-u_h, u_h\right)=0 .
$$
Hence
$$
a\left(u, u_h\right)=a\left(u_h, u_h\right)
$$
and
$$
\begin{aligned}
a\left(u-u_h, u-u_h\right) &=a(u, u)-2 a\left(u, u_h\right)+a\left(u_h, u_h\right) \
&=a(u, u)-a\left(u_h, u_h\right) .
\end{aligned}
$$
Thus the energy of the error is equal to the error in the energy, and it can also be seen that if the error is not zero, the discrete energy $a\left(u_h, u_h\right)$ always underestimates the true energy $a(u, u)$.

物理代写|空气动力学代写Aerodynamics代考|MAE589

物理代写|空气动力学代写空气动力学代考|有限元方法的变分基础


为了阐明有限元方法的变分基础,我们在本节中研究一维椭圆方程
$$
L u=f
$$
在从$a$到$b$的定域上,其中
$$
L u=-\frac{d}{d x} p \frac{d u}{d x}+q u
$$
with $p(x) \geq p_{\min }>0, q(x) \geq 0$,以及Dirichlet或Neumann边界条件
$$
\begin{aligned}
&u(a)=u_L \text { or } u^{\prime}(a)=0 \
&u(b)=u_R \text { or } u^{\prime}(b)=0
\end{aligned}
$$
在两端或两端各一个。这是最一般的二阶自伴随线性算子。我们在$\mathcal{S}$空间中寻找二阶可微函数的解$u(x)$,它满足任何可能指定的狄利克雷边界条件。
这个问题的解决方案最小化函数
$$
I(u)=\frac{1}{2} \int_a^b\left(p u^{\prime 2}+q u^2-2 f u\right) d x .
$$
假设$u(x)$通过添加$\delta u(x)=\epsilon v(x)$而修改,其中$\epsilon$很小。$I$对应的变化是
$$
\begin{aligned}
\delta I &=I(u+\delta u)-I(u) \
&=\epsilon V_1+\epsilon^2 V_2,
\end{aligned}
$$

where
$$
V_1=\int_a^b\left(p u^{\prime} v^{\prime}+q u v-f v\right) d x
$$
and
$$
V_2=\frac{1}{2} \int_a^b\left(p v^2+q v^2\right) d x \geq 0
$$

物理代写|空气动力学代写空气动力学代考|基于变分形式的误差估计


解决错误$u-u_h$的误差估计可以通过以下参数得到。首先,由于试验空间$\mathcal{S}_h$是解空间$\mathcal{S}, u$的一个子空间,对于$\mathcal{S}_h$中的所有$v_h$,它满足
$$
a\left(u, v_h\right)=\left(f, v_h\right)
$$
,因此从(3.41)和(3.42)得出
$$
a\left(u-u_h, v_h\right)=0 .
$$
。换句话说,误差与$\mathcal{S}_h$中的所有测试函数$v_h$正交。但这意味着$u_h$也使$a\left(u-u_h, u-u_h\right)$比$\mathcal{S}_h$最小,因为
$$
a\left(u-u_h-\epsilon v_h, u-u_h+\epsilon v_h\right)=a\left(u-u_h, u-u_h\right)-2 \epsilon a\left(u-u_h, v_h\right)+\epsilon^2 a\left(v_h, v_h\right) \text {, }
$$
,其中根据正交条件(3.44),中项消失。因此$u_h$使误差的能量$\frac{1}{2} a\left(u-u_h, u-u_h\right)$最小化,并且假设$a(u, u)$满足合法范数的要求,我们可以将其视为误差的范数。
同样,我们可以将(3.44)中的$v_h$替换为$u_h$,得到
$$
a\left(u-u_h, u_h\right)=0 .
$$
因此
$$
a\left(u, u_h\right)=a\left(u_h, u_h\right)
$$

$$
\begin{aligned}
a\left(u-u_h, u-u_h\right) &=a(u, u)-2 a\left(u, u_h\right)+a\left(u_h, u_h\right) \
&=a(u, u)-a\left(u_h, u_h\right) .
\end{aligned}
$$
因此误差的能量等于能量中的误差,也可以看出,如果误差不为零,离散能量$a\left(u_h, u_h\right)$总是低估了真正的能量$a(u, u)$ .

物理代写|空气动力学代写Aerodynamics代考

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