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数学 > 数值分析

arXiv:2412.05598 (math)
[提交于 2024年12月7日 (v1) ,最后修订 2025年8月5日 (此版本, v2)]

标题: 通过等分布进行变量步长有限差分的实用方法

标题: A practical recipe for variable-step finite differences via equidistribution

Authors:Mário B. Amaro
摘要: 我们描述了一个简短且可重复的工作流程,用于在由正权函数g确定的非均匀网格上应用有限差分。该网格通过等分布获得,通过累积积分$S(x)=\int_a^x\!1/g(s)\,ds$及其逆变换将统一的计算坐标$\xi\in[0,1]$映射到物理空间,在多维情况下则通过相应的变扩散(调和)映射及张量$P=(1/g)I$进行映射。然后,我们在不均匀间距上使用标准的三点中心模板计算一阶和二阶导数。我们收集了公式,说明了对g的温和约束(正性、有界性、可积性),并提供了一个小型参考实现。最后,我们在均匀网格和变网格上求解二维定态薛定谔方程,展示了解决局部本征函数的预期改进,而无需增加矩阵大小。我们希望这篇笔记作为一种操作指南,而不是一种新方法,将广泛使用的想法整合成一个单一的、即用型配方,不声称具有新颖性。薛定谔方程,实现了在不增加计算成本的情况下改进本征函数分辨率。
摘要: We describe a short, reproducible workflow for applying finite differences on nonuniform grids determined by a positive weight function g. The grid is obtained by equidistribution, mapping uniform computational coordinates $\xi\in[0,1]$ to physical space by the cumulative integral $S(x)=\int_a^x\!1/g(s)\,ds$ and its inverse, and in multiple dimensions by the corresponding variable-diffusion (harmonic) mapping with tensor $P=(1/g)I$. We then use the standard three-point central stencils on uneven spacing for first and second derivatives. We collect the formulas, state the mild constraints on g (positivity, boundedness, integrability), and provide a small reference implementation. Finally, we solve the 2D time-independent Schr\"odinger equation for a harmonic oscillator on uniform vs. variable meshes, showing the expected improvement in resolving localized eigenfunctions without increasing matrix size. We intend this note as a how-to reference rather than a new method, consolidating widely used ideas into a single, ready-to-use recipe, claiming no novelty.ent Schr\"odinger equation for a harmonic oscillator, achieving improved eigenfunction resolution without increased computational cost.
评论: 6页,2图
主题: 数值分析 (math.NA) ; 计算物理 (physics.comp-ph)
引用方式: arXiv:2412.05598 [math.NA]
  (或者 arXiv:2412.05598v2 [math.NA] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2412.05598
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

提交历史

来自: Mário B. Amaro [查看电子邮件]
[v1] 星期六, 2024 年 12 月 7 日 09:28:16 UTC (87 KB)
[v2] 星期二, 2025 年 8 月 5 日 04:23:34 UTC (78 KB)
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