二维静态问题

我们将移动网格方法应用到变分不等式问题和最优控制问题。由于我们发展的移动网格方法 将网格移动和问题求解完全分开,可以应用于静态问题,从而可能应用于变分不等式和最优 控制问题。变分不等式和最优控制 问题的误差出现的区域和解的梯度基本上没有什么关系,所以我们要使用后验误差估计来 构造控制函数。计算结果表明,对于静态问题,移动网格方法也可以得到预期的结果。但是, 并不是所有的后验误差估计都能够用来构造控制函数,获得满意的网格。后验误差估计必须 足够准确,才能够对于网格的构造有有效的指导意义。

二维的变分不等式 2D Variational Inequalities

变分不等式的问题是很多研究者感兴趣的问题,但是我们只是需要它的一个足够精确的后验误差 估计。变分不等式的一个最简单的例子是障碍问题。 这个问题形式虽然简单,但是迄今仍然有一些没有研究清楚的部分。对于给定的一个 中的闭凸子集 ,若 ,则变分不等式

其中 对称正定的矩阵 函数,其元素 是区域的维数,在 中存在唯一解。 我们给出的误差估计形为

其中, 是Lagrange插值算子, 表示 -法向导数 在两个单元边界上的跳跃

其中, 的单位外法向量。

我们这里选择的变分不等式的例子都是从不同的文献中间挑选的,有一定的代表性。

变分不等式例 1

区域 ,零障碍,精确解 为

其中, ,自由边界是 。下面是计算结果的 图形:


Example 1: From Liu and Yan's paper.

变分不等式例 2

这个例子来自于Kornhuber的研究,是一个障碍不为零的例子。区域为 。对于非零的障碍,我们要把特征函数 的表达式修改为

下面是计算结果的图形

变分不等式例 3

这个例子的背景是不可压无粘流体渗透一个方形水坝的模型,Ainsworth,Oden和 Lee都对它进行了研究,并作出了一个后验误差估计,

其中

计算结果如下图

最优控制问题 (Optimal Contorl Problem)

我们将考虑具有障碍约束的线性椭圆型分布式最优控制问题。前面所 讨论的障碍问题事实上是这个问题的一个子问题。众所周知,在这种情况下,障碍集中的部分对解 是较少有贡献的,现有的误差估计尚未考虑到这个重要的现象,从而使得估计不够精确,根据 这样的估计所构造的自适应方法的效率也因此受到很大的影响。但是,在障碍集中的解仍然对解有 一定的影响,根据Chen和Nochetto的观点,要想完全的将其对误差估计影响消除似乎是不可能的。 我们要将这种影响尽可能的消除,从而得到一个既是上界,也是下界的一个误差估计,然后应用 这样一个比较准确的误差估计来构造网格,希望在得到的网格能够有效求解原问题。这个问题具有 如下的形式

其中, 是凸泛函, 是一个闭凸集, 是连续线性算子。控制 定义在区域 上,状态 定义在区域 上,它们的边 界 都是Lipschitz的, 中, 。我们用 表示 中的半 范数,将状态空间取为 ,控制空间取为 。 假设 是在 连续可微的严格凸泛函, 中的凸子集, 是从 的对偶空间)的连续线性算子,

满足对任意向量 ,存在常数 ,使得

我们还假设当 ,有 ,泛函 有下界。

最优控制问题例 1

精确解为

其他数据为

我们可以看到,误差分布的形状和误差估计的形状的吻合程度很高,验证了误差估计的准确 性。在网格移动了以后,误差估计的分布得到了平均化。分片线性相比于分片常数解来说, 网格更加集中于自由边界的位置。我们列出了在每一个网格迭代步骤以后的解的计算误差, 作为参考。

最优控制问题例 2

精确解为

其他数据为

由于在非障碍集的内部,误差只占总体误差的一小部分,所以在网格移动以后,误差减小的比例 相当的大,对于前一个例子,由于非障碍集内部的误差占了总误差的相当大一部分,所以在网格 移动以后,误差减小的幅度并不象这个例子这么明显。


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