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努梅羅夫方法

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努梅羅夫方法屬於四階線性多步法,用於求解不出現一階微分項的二階常微分方程。努梅羅夫方法屬於隱式方法,但如果微分方程線性,則可轉化為顯式方法。該方法由 俄國天文學家Boris Vasil'evich Numerov提出。

方法

可由努梅羅夫方法求解的微分方程形式為

求出函數 在區間 上等距格點上的值,從連續的兩個格點上的函數值 開始,其他的函數值可由

算得。

其中, 為在格點 上的函數值,為格點間距。

對於非線性方程,

則非線性方程的努梅羅夫方法

該式為隱式的線性多步方法。當 的線性函數時,該式變為顯式方法,精度為4階(Hairer, Nørsett & Wanner 1993,§III.10)。

應用

在物理中用於數值求解任意勢場中徑向薛定諤方程

此式可重寫為

其中 . 與Numerov方法求解的方程形式做比較,

這樣,我們可以數值求解薛定諤方程。

推導

泰勒展開開始, 我們可求 的相接鄰點上的函數值

上兩式之和為

用所求微分方程的定義式 替換掉

對所求微分方程的定義式 取二次微分

將其代入到四階微分項中,並把二階導 替換為 的二階差分公式

求解 可得

忽略掉 就可以得到努梅羅夫方法,最終收斂階數為4(假定穩定)。

參考文獻

外部連結