Dodatek <strong>21.</strong> WYBRANE WIADOMOŚCI Z MATEMATYKI 12Zależności (c) i (d) łatwo uogólnić na pochodne dowolnego rzędu (por. np. Pietrzak, Rakowski,Wrześniowski [35]):(e)nd yndxx=xi⎧ ⎡ + −⎛ ny⎞nyn kn nnyx xi i≈ ⎛ ⎜⎟+ ⎛ ⎞⎤⎪ 1 ⎢ ∆ ∆⎜⎥⎟, = 2 −1,⎪⎞2 ⎢⎝⎠ ⎝ ⎠ ⎥∆∆ ∆⎜n ⎟x= ⎪ ⎣⎢⎦⎥⎨+−⎝ ∆ ⎠i⎪ ⎡⎛ n−1n−y⎞yn kx ⎜n−⎟− ⎛ 1 ⎞⎤1 ⎢ ∆ ∆⎪⎜⎥⎢n−⎟, = 2 ,⎪∆11⎝ ∆x⎠i⎝ ∆x⎠ ⎥⎩ ⎣⎢i ⎦⎥k = 1, 2, 3,...,Rys. <strong>21.</strong>10Ogólnie biorąc problem najlepszego przybliżenia nie jest jednak tak prosty, jak wskazują powyższerozważania. Dotyczy to w szczególności pochodnych cząstkowych funkcji wielu zmiennych lubzłożonych operatorów różniczkowych. Chodzi bowiem o to, by błąd przybliżeń wszystkich operatorówróżniczkowych występujących w równaniu różniczkowym i warunkach granicznych był tego samegorzędu. Analizę błędu przeprowadza się na podstawie rozwinięć funkcji w szereg Taylora lub za pomocąrachunku wariacyjnego.Andrzej Gawęcki - „Mechanika materiałów i konstrukcji prętowych” 2003r.Alma Mater
Dodatek <strong>21.</strong> WYBRANE WIADOMOŚCI Z MATEMATYKI 13Na rysunku <strong>21.</strong>10 zestawiono najlepsze przybliżenia liniowe pochodnych funkcji jednej i dwóchzmiennych według monografii Timoshenki i Woynowskiego-Kriegera, [50]. Przyjęto tu, że siatkawspółrzędnych jest kwadratowa, przy czym ∆x = ∆y = a.Dodamy jeszcze, że w ostatnich latach nastąpił znaczny rozwój metody różnic skończonych. Siatkiwspółrzędnych mogą być zupełnie dowolne, a optymalne rozmieszczenie węzłów siatki ustala się napodstawie analizy błędów i charakteru przebiegu funkcji. Należy podkreślić, że metoda różnicskończonych, jak każda metoda przybliżona, daje w pełni wiarygodne wyniki tylko do funkcjiregularnych (bez osobliwości, nieróżniczkowalności, nieciągłości itp.).Rys. <strong>21.</strong>11Zastosowanie metody różnic skończonych zilustrujemy kilkoma przykładami. Wyznaczymy najpierwprzybliżony kształt linii ugięcia belki pryzmatycznej, swobodnie podpartej, obciążonej równomiernie(rys. <strong>21.</strong>11). Ponieważ układ jest statycznie wyznaczalny (pole momentów jest znane), ugięcie w(x)obliczymy z równania różniczkowego drugiego rzędu:2d w M x(f)2dx=− ( )EJprzy warunkach brzegowych w(0) = w(l) = 0. Belkę dzielimy przykładowo na cztery części(∆x = a = 0,25l) i dla każdego węzła wewnętrznego układamy równanie różnicowe:⎛ 2∆ w⎞w 1 2w w 1 Mi i i i⎜i 12342 ⎟ 2⎝ ∆x⎠= − − + + =− , = , , , .aEJiMamy zatemi = 2: 2a 2w1− 2w2 + w3= − ⋅15, qa ,EJi = 3: 2a 2w2 − 2w3+ w4= − ⋅2qa,EJi = 4: 2a 2w3− 2w4 + w5= − ⋅15, qa .EJZ symetrii zadania wynika, że w 2 = w 4 , a z warunków brzegowych, że w(0) = w 1 = w(l) = w 5 = 0. Wobectego otrzymujemy ostatecznie dwa równania liniowe na w 2 i w 3 :Andrzej Gawęcki - „Mechanika materiałów i konstrukcji prętowych” 2003r.Alma Mater