Конечно-разностные методы решения 1D задачи Пуассона

В статье обсуждается постановка и анализ методов решения одномерного уравнения Пуассона на основе конечно-разностных аппроксимаций - важного и очень полезного инструмента численного исследования дифференциальных уравнений. По сути, это классический метод аппроксимации, основанный на разложении решения в ряд Тейлора. Развитие теоретических и практических результатов на базе этого метода в последние годы позволили повысить точность, стабильность и сходимость методов решения дифференциальных уравнений. Некоторые особенности этого анализа включают интересные расширения классического численного анализа начальных и граничных задач. В первой части излагается численный метод решения одномерного уравнения Пуассона, сводящийся к решению системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) с ленточной симметричной положительно определённой матрицей. В качестве метода решения СЛАУ используется широко известный метод прогонки (метод Томаса). Во второй части представлен метод решения, основанный на аналитическом представлении точной обратной матрицы дискретизированного варианта уравнения Пуассона. Выражения для обратных матриц существенно зависят от типов граничных условий в исходной постановке. Представлены варианты обратных матриц для уравнения Пуассона с различными граничными условиями на концах исследуемого интервала - условиями Дирихле на обоих концах интервала, условиями Дирихле на одном из концов и Неймана на другом. Во всех трёх случаях коэффициенты обратных матриц легко вычисляются (выписываются) и алгоритм решения задачи практически сводится к умножению матрицы на вектор правой части.