努梅罗夫方法属于四阶线性多步法,用于求解不出现一阶微分项的二阶常微分方程。努梅罗夫方法属于隐式方法,但如果微分方程线性,则可转化为显式方法。该方法由
俄国天文学家Boris Vasil'evich Numerov提出。
方法
可由努梅罗夫方法求解的微分方程形式为
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求出函数 在区间 上等距格点上的值,从连续的两个格点上的函数值 和 开始,其他的函数值可由
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算得。
其中, 和 为在格点 上的函数值, 为格点间距。
对于非线性方程,
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则非线性方程的努梅罗夫方法为
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该式为隐式的线性多步方法。当 是 的线性函数时,该式变为显式方法,精度为4阶(Hairer,Nørsett & Wanner 1993,§III.10)。
应用
在物理中用于数值求解任意势场中径向薛定谔方程:
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此式可重写为
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其中 . 与Numerov方法求解的方程形式做比较,
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这样,我们可以数值求解薛定谔方程。
推导
从 的泰勒展开开始, 我们可求 的相接邻点上的函数值
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上两式之和为
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用所求微分方程的定义式 替换掉 ,
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对所求微分方程的定义式 取二次微分
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将其代入到四阶微分项中,并把二阶导 替换为 的二阶差分公式
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求解 可得
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忽略掉 就可以得到努梅罗夫方法,最终收敛阶数为4(假定稳定)。
参考文献
- Hairer, Ernst; Nørsett, Syvert Paul; Wanner, Gerhard, Solving ordinary differential equations I: Nonstiff problems, Berlin, New York: Springer-Verlag, 1993, ISBN 978-3-540-56670-0 .
This book includes the following references:
- Numerov, Boris Vasil'evich, A method of extrapolation of perturbations, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 1924, 84: 592–601 .
- Numerov, Boris Vasil'evich, Note on the numerical integration of d2x/dt2 = f(x,t), Astronomische Nachrichten, 1927, 230: 359–364 .
外部链接