常微分方程的數值方法

A-穩定(A-stability)

有些方法只在你保持步長小時才有界;另一些則無論你走多大的步都有界,只要真解在衰減。後者,那個黃金標準的性質,就是 A-穩定:一個方法若在任何衰減問題上、對「任何」步長都不爆掉,便是 A-穩定的。這是你對一個要用於剛性問題的方法所要求的品質。

精確地說,回想穩定區域:使方法放大因子 |R(z)| <= 1 的 z = lambda*h 所成的集合。一個方法若這個區域包含「整個」複數平面的左半——每個實部為負的 z——便是「A-穩定」的。由於測試方程 y' = lambda*y 恰在 lambda 實部為負時衰減,A-穩定說的是:只要真解衰減,數值解也衰減,無論 h 如何。後向歐拉法是 A-穩定的(其區域是整個左半平面還更多);梯形法則(Crank-Nicolson)是 A-穩定的,且正好落在邊界上;前向歐拉法與所有顯式龍格-庫塔法「不」是(它們的區域是小而有界的斑塊)。多步法中只有 BDF1 與 BDF2 是 A-穩定的。

A-穩定是把你從剛性的暴政中解放出來的東西:用 A-穩定的方法,你只為「準確度」選步長,永不必因害怕爆掉而選,即使方程有極快的衰減模態。但要誠實看待它給與不給什麼。第一,A-穩定只是「不爆掉」的條件——它對準確度隻字未提,A-穩定的方法用大步長可能回傳一個穩定卻很錯的答案。第二,達奎斯特第二障礙證明:沒有階數高於 2 的線性多步法能是 A-穩定的,這就是為什麼高階剛性求解器改用稍弱的 A(alpha)-穩定或隱式龍格-庫塔法。第三,對振盪問題 A-穩定可能是「太強」的阻尼(對最剛性的衰減想要更嚴的 L-穩定,而對守恆的振盪想要辛方法)。

取 y' = -1000y,真解快速衰減到 0。用後向歐拉法配上舒適的 h = 0.5:y_{n+1} = y_n/(1 + 500),每步縮小為 1/501,有界且衰減——A-穩定的實際表現。前向歐拉法在同樣的 h = 0.5 給出因子 1 - 500 = -499,所以 |R| = 499,解爆掉;它得用 h < 0.002 才能保持穩定。

A-穩定:對每個衰減模態、任何步長都有界——剛性求解器所需的性質。

A-穩定防的是爆掉,而非不準:A-穩定的方法用大步長可以完全有界卻離真解很遠。達奎斯特第二障礙也把 A-穩定的多步法限制在二階,這是根本的天花板,而非欠缺巧思。

又称
A-stable methodunconditional stabilityabsolute stability for all decaying modesA穩定性無條件穩定