Lecture note 20/2003

Der Stabilitätsbegriff in der Numerik

Wolfgang Hackbusch

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Submission date: 28. Jul. 2003
Pages: 72
Bibtex
MSC-Numbers: 65L20, 65M12, 65N12, 65D32, 65D05
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Abstract:
In Kapitel 1 behandeln wir die Kondition einer Aufgabe und die Stabilität eines Algorithmus. Hier ist die Verstärkung von Eingabe- bzw. Gleitkommafehlern das Maß der Kondition bzw. Stabilität. Die Begriffe bleiben aber noch vage, da zwischen Verstärkungsfaktoren der Größenordnung 1 und großen Verstärkungsfaktoren nicht exakt unterschieden werden kann.

In Kapitel 2 beschäftigen wir uns mit Quadraturverfahren, genauer gesagt mit einer Familie von Quadraturen formula60, wobei mit wachsendem n die Qualität zunehmen soll. Letztere wird mittels der Konsistenz beschrieben. Die Stabilität wird wieder anhand der Eingabefehlerverstärkung definiert. Anders als in § 1 kann diese eindeutig definiert werden, da die vagen Begriffe ``klein'' und ``groß'' dadurch ersetzt werden, dass eine Größ e formula64 endlich oder unendlich ist. Obwohl sich die Stabilitätsdefinition an numerischen Phänomenen orientiert, eignet sie sich auch für analytische Zwecke. Stabilität ist fast äquivalent zur Konvergenz des Quadraturergebnisses formula66 gegen das exakte Integral formula68 Entsprechend wird analytisches Werkzeug aus der Funktionalanalysis benötigt: der Approximationssatz von Weierstraß und der Satz von der gleichmäßigen Beschränktheit.

Die in Kapitel 3 behandelte Interpolation folgt dem gleichen Schema wie schon §2. In beiden Kapiteln kann man sich die folgende Frage stellen: Auch wenn die Stabilität durch eine Aussage der Form formula70 beschrieben wird und notwendig für die Konvergenz ist, so sagt das wenig darüber, ob man sinnvollerweise eine Quadratur bzw. Interpolation für ein festesn auch ohne Stabilitätsvoraussetzung verwenden kann.

Dies ist anders in Kapitel 4, in dem es um Ein- und Mehrschrittverfahren zur Lösung gewöhnlicher Anfangswertprobleme geht. Bei der Berechnung der Näherungen formula74 ergibt sich fast immer die Notwendigkeit, größere j zu verwenden (entweder weil im Grenzprozess die Schrittweite h gegen null geht und deshalb formula80 oder weil h konstant gehalten wird, aber y auf vielen Gitterpunkten formula86 approximiert werden soll).

Während bei gewöhnlichen Differentialgleichungen Stabilitätsprobleme erst bei echten Mehrschrittverfahren auftreten und Einschrittverfahren stets stabil sind, ändert sich dies bei den partiellen Differentialgleichungen, die in §5 behandelt werden. Es werden Differenzenverfahren für hyperbolische und parabolische Differentialgleichungen behandelt. Stabilität drückt sich hier mittels der gleichmäßigen Beschränktheit von Potenzen des Differenzenoperators aus.

Auch im Falle elliptischer Differentialgleichungen stellt sich die Frage der Stabilität. Wie in §6 ausgeführt, besteht die Stabilität in einer schrittweiten-unabhängigen Beschränkung der Inversen des Differenzenoperators bzw. der Finite-Element-Matrix.

03.04.2017, 12:08