『电脑』数值计算中的有限差分法( 二 ) |

首先，这四个格式都是相容的，至于收敛性和稳定性，采用von Neumann条件判断易知，格式（1）和（2）是条件收敛的，而格式（3）和（4）是完全不收敛的。如果采用后两种格式计算，是完全得不到正确结果的。其根本原因在于，上述的对流方程是双曲型的，沿其特征线方向是有信息传递的，因此，选取的网格点应该与双曲方程特征线一致才行，这也是上述（1）（2）格式被称为迎风格式的原因，要迎“风”不能背“风” 。
下面这个格式被称为Richardson格式，从截差角度上说，这个格式是二阶精度的，似乎比迎风格式好，但是，这个差分格式实际完全没有实用价值，因为是不收敛的：

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通常来说，差分格式都是条件收敛，很少有绝对收敛的，比如Crank-Nicolson格式是绝对收敛的。当然，条件收敛不一定就差，绝对收敛也不一定就好，关键还是要满足需求条件才行。前面反复说到条件收敛，那么这个条件到底是什么，什么条件下差分格式才收敛？下面的定理回答了这个问题。

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最后我们来谈谈上述对流方程初值问题的依赖区域，简单的说，为了计算某一层网格点的数值，需要用到上一层的数值，上一层的数值又需要用到上上一层，依次递推到第一层上。第一层上的这些网格点值，都会影响我们所计算的某点的值，这就是差分格式的依赖关系。而微分方程的依赖关系，如上述的对流方程，它是双曲型方程，因此它的依赖区域和特征线息息相关。实际上，上述对流方程是条件收敛的，这个条件最后化简就是：

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得到的正是我们常在计算中使用的库朗条件。
上述理论是有限差分法的冰山一角，理论虽然简单，但是灵活运用却是格外复杂，越是简单的东西，使用起来越要小心，稍不注意，就会陷入不收敛的尴尬境地！！