偏微分方程的數值方法:有限差分

放大因子(amplification factor)

把你數值解中的誤差想成一個在網格上盪漾的波。每個時間步,格式不是縮小它、保持它,就是放大它。放大因子就是道出何者的那個複數:它是一個時間步內套用在單一傅立葉模式上的乘子。若其大小小於一,模式衰減;等於一則持續;大於一則成長——而即使只有一個成長的模式,最終也會毀掉計算。

它正是馮諾伊曼分析所解出的量。把傅立葉模式 u_j^n = g^n * e^(i*theta*j) 代入格式;空間因子相消後,g = g(theta) 作為波數 theta 與格式參數(如 r = alpha*k/h^2)的顯式函數掉出來。g 中藏著兩條資訊:其「大小」|g| 控制振幅——模式成長或衰減,即穩定性問題;其「相位」(輻角)控制模式行進的快慢,即準確度/色散問題。對精確的 PDE,每個模式有自己的真實成長與相位;好格式的 g 對平滑、解析良好的模式緊密匹配它們。

讀 g 就是你診斷格式的方法。穩定性是要求每個 theta 都 |g(theta)| <= 1。在 |g| < 1 之處,格式「阻尼」該模式——這是數值耗散,對殺雜訊有益,但若抹掉真實特徵則有害。在 g 的相位與真實相位不符之處,不同波數以略錯的速度行進——這是數值色散,把乾淨的脈衝變成擺動的尾跡。故放大因子是一張精簡的成績單:theta 的一個複函數,同時認證穩定性、揭露人為阻尼、並暴露相位誤差。

FTCS 熱:g(theta) = 1 - 4r*sin^2(theta/2),一個實數。在 r = 0.5,最壞的模式 theta = pi 給出 g = 1 - 2 = -1,大小恰為 1(臨界穩定,但變號意味該鋸齒模式每步反轉)。在 r = 0.6,g = 1 - 2.4 = -1.4,大小 1.4 > 1——該模式每步成長 40%,解爆炸。

|g| 控制成長(穩定性);g 的相位控制速度(色散)。

|g| <= 1 是穩定性檢驗,但 g 為「實數」且為負(如鋸齒模式上的 FTCS)意味該模式即使有界仍每步變號——有界不等於行為良好。一個相位錯誤的複數 g 完全不威脅穩定性,卻造成色散;大小與相位回答兩個不同的問題。

又称
growth factorsymbol of the scheme增長因子成長因子