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< 図形と方程式 > 点間の距離 A x, y, B x, y のとき x y x y : に分ける点 æ ç è A x, y, B x, y のとき 線分 AB を : に分ける点は x x y y, ö ø 注 < のとき外分点 三角形の重心 点 A x, y, B x, y, C x, を頂

0. はじめに ここでは 金融工学の基礎であるブラックショールズの公式を導くまでの過程を説明する そのためには ランダムウォークから派生したブラウン運動と確率積分の概念の理解は必要不可欠である そしてそこから求まる伊藤の公式を用いて確率微分方程式を解き ブラックショールズ過程について紹介する 1.

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06 年 8 月 日 ( 月 )-6 日 ( 金 ) 千葉大学総合校舎 号館 4 階情報演習室 宇宙磁気流体 プラズマシミュレーションサマースクール 差分法の基礎 三好隆博 広島大学大学院理学研究科

時限目の目標 線形移流方程式 コンピュータ を計算機で解く!

内容 はじめに 差分法 移流方程式の差分法 高次精度風上差分法

はじめに

はじめに 微分方程式 未知関数とその導関数を含む方程式 自然現象などを記述する基礎方程式 d r m d, F r,, V RI I LI, X, X, Ψ Ψ m V r di dx d d Ψ, 0 p db d,,

はじめに 物理によくでる偏微分方程式 0 F y E D y C y B A 0 4 y AC B 楕円型 : ( ポアソン方程式 ) 0 4 AC B 放物型 : ( 拡散方程式 ) 0 4 a AC B 双曲型 : ( 波動方程式 )

はじめに 双曲型方程式 線形移流方程式 非粘性 Brgers 方程式 Mawell 方程式 Eler 方程式 理想 MHD 方程式 微分方程式を計算機で解きたい!

はじめに 微分方程式の世界 無限と連続の世界 計算機の世界 有限の 0 と の世界 連続場の離散化 空間 : 0,, 時間 : 0,, 実数値 : 0., 0., program ma mplc oe real(8) :: a a = 0. ; wre(*,*) a a = 0.d0; wre(*,*) a ed program ma 0 0 c c $./a.o 0.00000004906 0.00000000000000

はじめに 座標および変数の離散表記法 y, y,,, j j y j j j, j j j j y, j, j, j, j

はじめに 時間 空間座標および変数の離散表記法,,,,,,,,

差分法

差分法 微分法 差分法 lm 0 ただし y y 前進差分という以上

差分法 前進差分の誤差! O! O 誤差が Δ の 次に比例 Taylor 展開

差分法 中心差分 3 3 3 3 3 3 3!! 3!! 4 3 3 3! O 誤差が Δ の 次に比例

差分法 階差分法のまとめ ( 次後退差分 ) ( 次前進差分 ) ( 次中心差分 ) ( 次後退差分 ) (4 次中心差分 ) 8 8 4 3

差分法 二階中心差分 3 3 3 3 3 3 3!! 3!! 4 O 誤差が Δ の 次に比例 / /

log 0 (0)- 0 差分法 誤差の比較 e 3e log 0 Δ

移流方程式の 差分法

移流方程式の差分法 線形移流方程式 a 0, a cos. 0 ここで a d d とすると d d d d 0, d d d d d d a に沿って d 0

移流方程式の差分法 線形移流方程式 d d a : 特性曲線 a, a,0

移流方程式の差分法 FTCS(Forward-Tme Ceered-Space) 法 時間微分 : 前進差分 空間微分 : 中心差分 0.5 振幅が単調に増大! a 0 a : Cora 数

移流方程式の差分法 vo Nema の安定性解析 厳密解の時間発展 I e I : 虚数単位 : 波数 e I e I,

移流方程式の差分法 vo Nema の安定性解析 厳密解の時間発展 I e e I g e I e I : I ge 虚数単位, I : g : 増幅率 波数 g g e g eac I e, I eac

移流方程式の差分法 vo Nema の安定性解析 FTCS 法 無条件不安定 s a, s s g g I s I I I I I e e e e ge I

移流方程式の差分法 La 法 (La-Fredrchs 法 ) 0 a

移流方程式の差分法 La-Wedro 法 次中心差分 次後退差分 : Warmg-Beam 法 3 O a a, a a 3 O 3, O a a

移流方程式の差分法 風上差分法 0, 0 a a 0, 0 a a

移流方程式の差分法 vo Nemaの安定性解析 La 法 g cos La-Wedro 法 g 風上差分法 g s 条件付き安定, a a s cos s, a cos cos, a a s cos

移流方程式の差分法 vo Nema の安定性解析 FTCS 法 g 0.75 0.5 増幅率 La 法 g.0 0.75 0.5 eac 位相誤差 eac La- Wedro 法 g.0 0.75 0.5 風上差分法 g.0 0.75 0.5 eac eac

移流方程式の差分法 CFL(Cora-Fredrchs-Lewy) 条件 a a a a 差分法は因果律と整合 差分法は因果律を破綻 数値的不安定 発散

移流方程式の差分法 数値実験 (cos 関数 ) 0.5 FTCS 法 La 法 La-Wedro 法 風上差分法

移流方程式の差分法 FTCS 法 La 法 風上差分法 La-Wedro 法 j > 時間 次 空間 次時間 次 空間 次時間 次 空間 次時間 次 空間 次 > 数値拡散項

移流方程式の差分法 数値実験 ( 階段関数 ) 0.5 FTCS 法 La 法 La-Wedro 法 風上差分法

ちょっとまとめ 線形移流方程式に対する様々な差分法を導出した FTCS 法 La 法 La-Wedro 法 風上差分法など 各差分法にvo Nemaの安定性解析を行った CFL 条件による条件付き安定 ただし FTCS 法は絶対不安定 数値実験の結果から

ちょっとまとめ La-Wedro 法 風上差分法 いいとこ取りしたい

高次精度 風上差分法

log 0 y-y 高次精度風上差分法 高次精度差分法へのいざない ( 例 ) 常微分方程式の誤差評価 h h 4 h log 0 h

高次精度風上差分法 保存型差分法 ( 有限体積法 ) / / / / 0, d d a 0 3/ / / 3/ 0 / / / 0 / / / / : 数値流束

高次精度風上差分法 FTCS 法 La 法 風上差分法 La-Wedro 法 j

高次精度風上差分法 保存型 FTCS 法 保存型 La 法 保存型風上差分法 保存型 La-Wedro 法 a / / /, a a / / /, a a / / /, a a / / /,

高次精度風上差分法 Godov の定理 [959] 移流方程式 + a = 0 に対する 次またはそれ以上の高次精度のどのような線形スキームも解の単調性を維持できない 線形スキーム 単調性を維持するためには全ての係数が非負 単調スキーム = 次精度 の風上差分法 : cos. k k k k c c k k k k k k k k k k c c c

高次精度風上差分法 風上差分法 単調性を維持する線形スキーム ( 単調スキーム ) / a La-Wedro 法 空間 3 点 時間 点で最も高次な線形スキーム / a 非線形スキーム 風上差分法とLa-Wedro 法を非線形結合 / a / / : 流束制限関数

高次精度風上差分法 全変動 (Toal Varao) TV d + = 0 の物理的な解の全変動は増加しない 離散系における全変動 [Hare, 983] TV TV + TV (TVD 条件 ) を満足するスキーム TVD スキーム

高次精度風上差分法 r r / /, / / に代入 or 0 0 a

高次精度風上差分法 / 0 / r / / r ここで十分条件について考えると 0 ν なので / / r で これは 以下が満たされれば自動的に満足 / 0 /, 0 r

高次精度風上差分法 / 0 /, 0 r / Warmg-Beam ( 風上版 La-Wedro) La-Wedro r 0 / 0 単調性を維持 r

高次精度風上差分法 / 0 /, 0 r / sperbee lmer 次精度 mmod lmer r 0 / 0 r

高次精度風上差分法 流束制限関数の例 mmod lmer: sperbee lmer: r ma0,m,r r ma0,m r,,m r, Kore lmer (3 次精度 ): r ma0,m r, r 3, va Leer lmer: r r r r

高次精度風上差分法 MUSCL Moooc Upwsream-ceered Schemes or Coservao Laws [va Leer, 979] 制限関数付き高次変数補間を用いた有限体積法

高次精度風上差分法 次精度風上差分法 / / 3/ 3/ / / 3/ 5/ a a /

高次精度風上差分法 次精度風上差分法 L / R / L / R / L 3/ R 3/ / / 3/ 3/ / / 3/ 5/ a a L R R L / / / / /

高次精度風上差分法 MUSCL L / L / R / R / L 3/ R L / / R 3/ 制限関数によって TVD 条件を満足 / / 3/ 3/ / / 3/ 5/ a a L R R L / / / / /

高次精度風上差分法 MUSCL 3 O O のまわりで Taylor 展開 O

高次精度風上差分法 MUSCL 4 4 / / O d / / で積分 / / O d / / O d もう時間方向の はやめますね

高次精度風上差分法 MUSCL 3 O 3 / / O L 3 / / O R

高次精度風上差分法 MUSCL L / 4 3 : 3 次精度 O 以下を用いると あとちょっと R / 4 O

高次精度風上差分法 MUSCL 4 4 4 4 L / R / 0 0 3 : 次の完全風上差分 : 次の風上バイアス差分 : 3 次の風上バイアス差分 : 隣接セル値の代数平均

高次精度風上差分法 MUSCL L / 4 4 / 4 4 R / 4 4 3 L R / 4 4 3

高次精度風上差分法 MUSCL L r r / 4 4 / 4 4 R r r r r :( 流束 ) 制限関数 r r r の場合 R L r r / /,

高次精度風上差分法 数値実験 (cos 関数 ) 0.5 風上差分法 MUSCL (mmod) MUSCL (va Leer) MUSCL (Kore)

高次精度風上差分法 数値実験 ( 階段関数 ) 0.5 風上差分法 MUSCL (mmod) MUSCL (va Leer) MUSCL (Kore)

高次精度風上差分法 WENO スキーム Weghed Esseally No-Oscllaory scheme [Jag+, 996] ENOでは滑らかさを指標にして補間関数を選択 TVB(Toal Varao Boded) TV B WENO は ENO の重み付き平均で高次精度化 ここでは結果だけ

高次精度風上差分法 数値実験 (cos 関数 ) 0.5 風上差分法 MUSCL (Kore) 3rd-order WENO 5h-order WENO

高次精度風上差分法 数値実験 ( 階段関数 ) 0.5 風上差分法 MUSCL (Kore) 3rd-order WENO 5h-order WENO

まとめ 重要なキーワード幾つおぼえてますか? 風上差分法 CFL 条件 / Cora 数 vo Nemaの安定性解析 Godovの定理 TVD / MUSCL / WENO 後半は難しい上に 駆け足になったはずです ( 予想 ) 大丈夫 大事なことは 時限目にもう一度いいます 大丈夫 簑島先生がしっかりと教えてくれます

おしまい お疲れ様でした