[科普中国]-拉克斯等价性定理

简介

拉克斯等价性定理(I,ax equivalence theorem )揭示差分方程相容性、稳定性与收敛性三者之间关系的重要定理。该定理表述为：对于适定的线性偏微分方程组初值问题，一个与之相容的线性差分格式收敛的充分必要条件是该格式是稳定的。该定理以美国数学家拉克斯(Lax , P. D.)命名，利用这一定理，可把困难的收敛性研究转化成对相容性与稳定性的讨论。

内容在数值分析中，拉克斯等价性定理是偏微分方程数值解的有限差分法的基本定理。它表明，对于一个良好的线性初始值问题的一致的有限差分法，当且仅当它是稳定的时候，该方法是收敛的。1

定理的重要性在于，尽管有限差分法的解与收敛偏微分方程是一致的，但通常难以确定，因为数值方法是由递推关系定义的，而微分方程涉及可微的功能。然而，有限差分方法近似正确的偏微分方程的要求是直接验证的，并且稳定性通常比收敛更容易显示（并且在任何情况下都需要显示舍入误差不会破坏计算）。因此，收敛通常通过拉克斯等价定理来表示。

在这种情况下的稳定性意味着在迭代中使用的矩阵的矩阵范数最多是一致的，2称为（实用的）Lax-Richtmyer稳定性。通常，为了方便而采取冯·诺依曼的稳定性分析，尽管冯·诺依曼稳定仅在某些情况下意味着Lax-Richtmyer的稳定性。

这个定理是由于彼得·拉克斯。有时被称为Lax-Richtmyer定理，彼得·拉克斯（Robert Lax）和罗伯特·里奇特（Robert D. Richtmyer）之后。3

有限差分法有限差分方法（finite difference method）一种求偏微分（或常微分）方程和方程组定解问题的数值解的方法，简称差分方法。4

微分方程的定解问题就是在满足某些定解条件下求微分方程的解。在空间区域的边界上要满足的定解条件称为边值条件。如果问题与时间有关，在初始时刻所要满足的定解条件，称为初值条件。不含时间而只带边值条件的定解问题，称为边值问题。与时间有关而只带初值条件的定解问题，称为初值问题。同时带有两种定解条件的问题，称为初值边值混合问题。

定解问题往往不具有解析解，或者其解析解不易计算。所以要采用可行的数值解法。有限差分方法就是一种数值解法，它的基本思想是先把问题的定义域进行网格剖分，然后在网格点上，按适当的数值微分公式把定解问题中的微商换成差商，从而把原问题离散化为差分格式，进而求出数值解。此外，还要研究差分格式的解的存在性和唯一性、解的求法、解法的数值稳定性、差分格式的解与原定解问题的真解的误差估计、差分格式的解当网格大小趋于零时是否趋于真解（即收敛性），等等。

有限差分方法具有简单、灵活以及通用性强等特点，容易在计算机上实现。