FDM #6, Heat Equation의 풀이(2)

이 글은

2022.07.30 - [수학의 재미/아름다운 이론] - FDM #5, Heat Equation의 풀이(1)

FDM #5, Heat Equation의 풀이(1)

에서 이어집니다.

 

열방정식의 예시

저번 글에서 다루었던 예시는 다음과 같습니다.

  $$u_t(t,x) = u_{xx}(t, x),  0<x<1, t>0, \ tag{1}$$

○ 초기 조건: $ u(0,x) = \sin(\pi x) $
○ 경계조건: $ u(t,0)= u(t,1) =0 $
 
※ 참고 이 방정식의 exact solution 은
$$u(t,x)= \sin(\pi x)\exp (-\pi^2 t)\tag{2}$$

 

이산화 과정

저번 글에서 알아보았듯이 시점 변수 $t$와 변위 변수 $x$를 다음과 같이 격자로 나눕니다.

열방정식의 이산화 과정

1. 시간 $t$ 축을 유한개의 균등 격자로 나눔
  - 식(1)에는 초기시점 $t=0$은 있지만, 끝시점은 없죠. 따라서 관심 있는 충분히 큰 끝시점 $T$를 하나 정하고,
  $$ 0= t_0 < t_1 <t_2 <\cdots < t_{N-1} < t_N =T$$
    로 균등하게 나눔
  - 각 시점의 차이는 $k$로 일정함. 즉, $t_{n+1}-t_n =k$

2. 변위 변수 $x$도 유한개의 균등 격자로 나눔
 - 식(1)의 $x$가 움직이는 구간을 $[x_m, x_M]$이라 했을 때,
$$ x_m =x_0 < x_1 <x_2 < \cdots < x_{J-1} < x_J = x_M$$
   으로 균등하게 나눔
- 각 변위의 차이는 $h$로 일정함. 즉, $u_{j+1}-u_j = h$ 

이제 $(t,x)$를 격자를 사용하여 편미분 방정식을 연립방정식으로 만들어 보겠습니다.

 

 

 

FDM 설계를 위한 예비 지식

FDM을 설계하기 위한 예비 지식은

2022.07.22 - [수학의 재미/아름다운 이론] - 미분방정식을 연립방정식으로, FDM #1

미분방정식을 연립방정식으로, FDM #1

을 참고하시면 됩니다. 기본적으로 foward difference, backward difference, central difference를 알고 있으면 됩니다.

 

 

 

FDM 설계

이제 $(t,x)$를 격자를 사용하여 편미분 방정식을 연립방정식으로 만들어 보겠습니다. 

$$0=t_0 <t_1 <\cdots <t_n =T$$와

$$x_m = x_0 < x_1 <\cdots < x_J =x_M$$

에 대해 식(1)을 아래의 방법으로 이산화 시킵니다. $t$ 수열 사이 간격은 $k$, $x$수열 사이 간격은 $h$입니다.

 

시점 $t_n$에서 forward difference 방식으로 이산화 시키자!

그러면 점 $(t_n ,x_j)$에서 $k$ 만큼의 시점 차로 forward difference를 구하면

 

$$ u_t(t_n , x_j) = \frac{u(t_n+k, x_j)-u(t_n, x_j)}{k }$$이고

$ t_n+k=t_{n+1}$입니다.

 

이제

$$u_j^n = u(t_n, x_j)$$ 

라 정의하면

 

$$ u_t(t_n , x_j ) = \frac{u_j^{n+1}- u_j^n}{k}\tag{2}$$

이죠. $x$에 대해서는 central difference를 사용합니다. $x$의 차이를 $h$라 하면

 

$$ u_{xx}(t_n,x_j) = \frac{u(t_n, x_j+h)-2u(t_n, x_j)+u(t_n, x_j-h)}{h^2}$$

입니다. $x_j \pm h = x_{j\pm 1}$ 이므로 준식은

$$ u_{xx}(t_n,x_j) = \frac{u_{j+1}^n-2u_j^n +u_{j-1}^n}{h^2}\tag{3}$$

 

따라서 $u_t(t,x) = u_{xx}(t,x)$는 식(2), (3)을 결합하여 다음과 같이 변합니다.

$$ \frac{u_j^{n+1}- u_j^n}{k} =  \frac{u_{j+1}^n-2u_j^n +u_{j-1}^n}{h^2}$$

 

$\alpha= \frac{k}{h^2}$ 이라 하면

$$u_j^{n+1}- u_j^n = \alpha \left(u_{j+1}^n-2u_j^n +u_{j-1}^n \right) $$

정리하면

$$u_j^{n+1} = \alpha u_{j+1}^n+(1-2\alpha) u_j^n +\alpha u_{j-1}^n \tag{*}$$

 

식(*)가 바로 식(1)을 이산화 시킨, FDM의 주요 부위가 됩니다. 글로 해석을 하자면,

$n$ step에 있는 $j-1 , j , j+1$ 번째 값 3개를 가지고 $n+1$ step의 $j$번째 값을 구할 수 있다.

라는 거죠. 그림으로 표현하면 이렇습니다.

전 시점의 이웃3명이 현 시점의 나를 만든다.

 

 

 

다시 문제로 돌아가 이번에는 초기 조건을 건드려 봅시다. 초기 조건은

$$ u(0, x) = \sin(\pi x) $$

이죠  이산화 하면, 모든 $j$에 대해

$$ u(t_0 , x_j ) = \sin(\pi x_j) $$

즉,

$$ u_j^0 =\sin(\pi x_j), \forall j \tag{**}$$

입니다.

 

경계조건에서 모든 $n$에 대해

$$u(t_n , x_0)=0~,~ u(t_n, x_J) =0$$

즉,

$$ u_0^n =0~,~ u_J^n =0, \forall n \tag{***}$$

입니다.

 

 

이제 세팅은 다 끝났습니다. 모든 격자를 구하는 과정을 정리하면 아래 그림과 같지요.

 

1. 초기 조건을 이용하여 $t_0$의 모든 격자에 값을 부여함 (빨간색 선)
2. 경계조건을 이용하여 $x_0, x_J$의 모든 격자에 값을 부여함(파란색 선)
3. 점화식 (*)을 이용하여 $t_1$의 모든 격자점의 값 구함
4. $t_N$까지 모든 격자점의 값을 구함

 

 

FDM 코드

python으로 작성한 위 문제의 FDM 풀이법은 다음과 같습니다.

 

def Solve_HeatEqaution_1D_explicit():
    # u_t(t,x) = u_xx(t,x) 0<x<1, t>0
    # u(0,x) = sin(πx)
    # u(t,0)= u(t,1) =0
    # closed form solution : u(t,x)= sin(πx)exp(-π^2 t)

    x_min, x_max = 0, 1
    t0 = 0
    maturity = 1

    num_x, num_t = 50, 10000
    # num_x, num_t = 50, 4500
    # num_x, num_t = 70, 10000
    # num_x, num_t = 80, 10000

    x_seq = np.linspace(x_min, x_max, num_x + 1)
    t_seq = np.linspace(t0, maturity, num_t + 1)

    h = x_seq[1] - x_seq[0]
    k = t_seq[1] - t_seq[0]

    alpha = k / h ** 2

    print('delta of x : {:.3f}'.format(k))
    print('delta of t : {:.3f}'.format(h))
    print('alpha (= k/(h^2)) : {:.3f}'.format(alpha))

    u = np.empty((num_t + 1, num_x + 1))
    # print(u)

    # u(t,x_min) =0
    u[:, 0] = 0

    # u(t, x_max) =0
    u[:, -1] = 0

    # u(0, x) = sin( pi*x)
    u[0, :] = np.sin(np.pi * x_seq)

    for n in range(0, num_t):
        for j in range(1, num_x):
            u[n + 1, j] = u[n, j] + alpha * (u[n, j + 1] - 2 * u[n, j] + u[n, j - 1])

    real_t = t_seq[-1]
    sol = np.sin(np.pi * x_seq) * np.exp(-np.pi * np.pi * real_t)
    fdm_sol = u[-1, :]

    max_of_difference = np.max(sol - fdm_sol)
    print('max distance between exact solution and fdm solution is {:.4f}'.format(max_of_difference))

    print()
    plt.plot(x_seq, sol, 'b', label='exact solution')
    plt.plot(x_seq, fdm_sol, 'm', label='fdm solution')
    plt.legend()
    plt.title('when h={:.3f}, k={:.3f}, alpha={:.3f}'.format(h, k, alpha))
    plt.show()

 

코드의 주요 부분을 간략히 살펴보면,

    num_x, num_t = 50, 10000	# 아래 주석처리한 경우까지 포함하여 4가지 경우 테스트 해 볼 격자 구성
    # num_x, num_t = 50, 4500
    # num_x, num_t = 70, 10000
    # num_x, num_t = 80, 10000

---

    x_seq = np.linspace(x_min, x_max, num_x + 1)	#[x_min, x_max를 num_x 개의 구간으로 분해
    t_seq = np.linspace(t0, maturity, num_t + 1)	#[t0, maturity]를 num_t개의 구간으로 분해
	#numpy.linspace의 정의상 +1씩 해 줘야 구간의 갯수를 num_x, num_t로 맞출 수 있음
    
    h = x_seq[1] - x_seq[0]	#x_seq의 한구간의 길이
    k = t_seq[1] - t_seq[0]	#t_seq의 한 구간의 길이

    alpha = k / h ** 2	#식(*)의 alpha 계산

---

    u = np.empty((num_t + 1, num_x + 1))	# FDM 결과를 담을 격자판 정의

    # u(t,x_min) =0
    u[:, 0] = 0		# boundary condition

    # u(t, x_max) =0
    u[:, -1] = 0	# boundary condition

    # u(0, x) = sin( pi*x)	
    u[0, :] = np.sin(np.pi * x_seq)		#initial condition

    # 식(*)를 이용하여 u의 모든 격자 채우기
    for n in range(0, num_t):
        for j in range(1, num_x):
            u[n + 1, j] = u[n, j] + alpha * (u[n, j + 1] - 2 * u[n, j] + u[n, j - 1])

---

    real_t = t_seq[-1]	# t_seq의 가장 마지막 원소 즉, maturity를 의미
    sol = np.sin(np.pi * x_seq) * np.exp(-np.pi * np.pi * real_t)	# real_t에서의 exact solution
    fdm_sol = u[-1, :]	# real_t에서의 u의 값들, 즉, FDM solution

    max_of_difference = np.max(sol - fdm_sol)	#exact solution과 u 값의 비교

 

 

 

결과

결과는 다음과 같습니다. 다음의 4가지 경우를 살펴본다 했습니다.

1.  num_x, num_t = 50, 10000​ 일 때

 

 

delta of x : 0.000
delta of t : 0.020
alpha (= k/(h^2)) : 0.250
max distance between exact solution and fdm solution is 0.0000

 

아주 잘 구해진 결과이죠.

 

 

2. num_x, num_t = 50, 4500 일 때,

delta of x : 0.000
delta of t : 0.020
alpha (= k/(h^2)) : 0.556
C:\Users\kimju\PycharmProjects\StockProject\fdm_Example.py:288: RuntimeWarning: overflow encountered in double_scalars
  u[n + 1, j] = u[n, j] + alpha * (u[n, j + 1] - 2 * u[n, j] + u[n, j - 1])
C:\Users\kimju\PycharmProjects\StockProject\fdm_Example.py:288: RuntimeWarning: invalid value encountered in double_scalars
  u[n + 1, j] = u[n, j] + alpha * (u[n, j + 1] - 2 * u[n, j] + u[n, j - 1])
max distance between exact solution and fdm solution is nan

아예 계산이 overflow가 나고 있습니다.

 

 

3. num_x, num_t = 70, 10000 일 때,

delta of x : 0.000
delta of t : 0.014
alpha (= k/(h^2)) : 0.490
max distance between exact solution and fdm solution is 0.0000

아주 좋은 결과를 얻습니다.  마지막으로

 

 

4. num_x, num_t = 80, 10000 일 때,

delta of x : 0.000
delta of t : 0.013
alpha (= k/(h^2)) : 0.640
C:\Users\kimju\PycharmProjects\StockProject\fdm_Example.py:288: RuntimeWarning: overflow encountered in double_scalars
  u[n + 1, j] = u[n, j] + alpha * (u[n, j + 1] - 2 * u[n, j] + u[n, j - 1])
C:\Users\kimju\PycharmProjects\StockProject\fdm_Example.py:288: RuntimeWarning: invalid value encountered in double_scalars
  u[n + 1, j] = u[n, j] + alpha * (u[n, j + 1] - 2 * u[n, j] + u[n, j - 1])
max distance between exact solution and fdm solution is nan

아예 또 계산이 안되네요.

 

 

결론

위와 같이 

• 시점에 대한 forward difference를 써서
• 시점 $n$의 3개의 점으로 시점 $n+1$ 의 1개의 점을 산출하는 방법을

명시적 방법(explicit method)이라 합니다.

 

이 방법은 계산이 극히 단순하다는 장점이 있습니다. 하지만 위의 결과처럼 어떤 경우는 결과가 잘 나오고, 어떤 경우에는 아예 계산이 뻑나죠. 결론부터 말하면

$$\alpha= \frac{k}{h^2}$$ 

이 어떤 값을 가지느냐에 따라 결정됩니다. 구체적으로 

$\alpha<0.5$ 이면  명시적 방법의 FDM은 잘 수렴하여 exact solution가 일치합니다. 반면, $\alpha>0.5$이면 위 예제처럼 계산이 overflow 즉, 계산의 결과가 증폭되며 수렴하지 않는 경우가 발생하죠. 따라서 시점과 변위의 격자 간격은 $k,h$를 잘 잘라줘야 합니다.

 

하지만 이런 제약 때문에 우리가 원하는 대로 격자판을 구성할 수가 없게 될 수도 있죠. 또한 무심코 잘나서 $\alpha$값을 확인 안 했을 때는 어떠한 잘못된 결과가 나올지도 모를 일입니다.

 

이러한 제약을 해결하고자 FDM의 다른 방법이 발전됩니다. 바로 implicit formula라는 건데, 이에 대해서는 다음 글에서 설명하도록 하겠습니다.