努梅罗夫方法

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

 

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    开始,其他的函数值可由

 

算得。

其中,    为在格点   上的函数值, 为格点间距。

对于非线性方程,

 

则非线性方程的努梅罗夫方法

 

该式为隐式的线性多步方法。当    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

 

此式可重写为

 

其中  . 与Numerov方法求解的方程形式做比较,

 

这样,我们可以数值求解薛定谔方程。

推导

 泰勒展开开始, 我们可求   的相接邻点上的函数值

 
 

上两式之和为

 

用所求微分方程的定义式   替换掉  

 

对所求微分方程的定义式   取二次微分

 

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  

 

求解   可得

 

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