計算網格(computational grid)
偏微分方程活在連續體上——金屬棒上的溫度在每一個點、每一個時刻都有定義,是不可數的無窮多個值。電腦無法存無窮多個數,因此用有限差分解任何 PDE 的第一步,就是放棄連續體,只保留一個有限的取樣點骨架:計算網格。想像在棒上鋪一張方格紙,只在線條交叉處追蹤溫度,而且只在一連串滴答作響的時刻取值。
具體來說,你把空間切成大小為 h(常寫成 delta-x)的等步長,把時間切成大小為 k(常寫成 delta-t)的等步長。長度為 L 的一維棒上,你保留點 x_j = j * h,j = 0, 1, ..., N;時間上保留 t_n = n * k。未知量變成一張數表 u_j^n,用來逼近格點 j、時間層 n 處的真解 u(x_j, t_n)。二維空間中,網格是節點 (x_i, y_j) 的矩形陣列,未知量為 u_{i,j}。於是整個 PDE 問題被替換成:用方程的離散版本一致地填滿這張表。
網格是有限差分裡其他每一個選擇上演的舞台:間距 h 決定你能解析多少細節、截斷誤差多小(好的格式通常為 O(h^2)),而時間步 k 受穩定性限制(顯式格式的 CFL 條件)。更細的網格更準確,卻耗更多記憶體與運算——在二維中 h 減半會使節點數變四倍,三維中變八倍,這正是大型模擬如此昂貴的原因。選網格不是形式手續,而是準確度、成本、穩定性三者碰撞之處。
要模擬長度為 1 的棒中的熱傳,取 h = 0.1,於是空間點為 x_0 = 0、x_1 = 0.1、...、x_10 = 1(十一個節點)。以時間步 k = 0.001 推進,依序通過 t_0 = 0、t_1 = 0.001、...。未知量 u_j^n 是一張寬 11 的表,每推進一步就增加一列。
十一個空間節點,每個時間步多一列數值——連續體變成一張表。
網格不必均勻——拉伸或自適應網格會把節點放在解變化最快之處。但經典有限差分模板那漂亮的 O(h^2) 誤差來自「等間距」;在非均勻網格上公式會改變,天真的中心差分可能降到一階。