偏微分方程的數值方法

FTCS 格式(forward-time central-space scheme)

想像你此刻知道一根金屬棒上各處的溫度,想把它向前推進一個極小的時間刻度。最簡單的規則是:每一點的新溫度等於舊溫度,再依該點附近溫度分布的彎曲程度微調——熱點降溫、冷凹升溫。FTCS,即「前向時間、中央空間」(Forward-Time Central-Space),正是熱方程的這條規則,也是人人首先遇到的標準顯式格式。

以下是 u_t = k u_xx 的配方。在時間上用前向差分 (u_new - u_old)/dt,在空間上用中央樣板 (u(x+h) - 2 u(x) + u(x-h))/h^2。令兩者相等並解出新值,得到一條顯式更新:u_new(x) = u_old(x) + r (u_old(x+h) - 2 u_old(x) + u_old(x-h)),其中 r = k dt / h^2 是網格比。「顯式」意指每個新值都直接由已知的舊值算出——不必解任何方程組,只要在網格上掃一遍。它編程極簡,每步又便宜。

問題——而且是個出名的問題——在於穩定性。熱方程的 FTCS 只在 r = k dt / h^2 至多為 1/2 時穩定。若把空間網格加密、將 h 減半,你就必須把時間步長縮小四倍才能守在限制以內,因此顯式格式在細網格上會變得代價高昂。一旦越過 r = 1/2,數值解不只是變得不準,而是爆炸成振幅不斷增長的劇烈振盪。這條單一不等式,正是後向尤拉與克蘭克-尼科森等隱式格式存在的理由。

取 k = 1、h = 0.1,穩定性上限為 dt <= h^2/(2k) = 0.005。選 dt = 0.004 得 r = 0.4,解乾淨地衰減;選 dt = 0.006 得 r = 0.6,幾步之內格點值就正負翻轉並無界增長。

r 在 1/2 以下格式表現良好;超過則不穩定。

FTCS 對熱(拋物型)方程是條件穩定,但對純對流方程 u_t + a u_x = 0 卻是無條件不穩定——在那裡中央空間、前向時間會放大每一個模態。穩定性取決於方程,而非僅僅取決於樣板。

又稱
forward-time central-space schemeexplicit Euler scheme for the heat equation顯式格式前向時間中央空間格式