偏微分方程的數值方法:有限差分

五點拉普拉斯算子(five-point Laplacian)

許多最重要的 PDE——穩態熱傳、電位、繃緊鼓面的形狀——都圍繞一個算子:拉普拉斯算子,在二維中是 x 與 y 方向二階導數之和:u_xx + u_yy。直覺上它衡量一個點的值與周圍平均相差多少:位於凹陷的點拉普拉斯為正,位於凸起的點為負。要在網格上計算它,你需要一個衡量「與鄰域之差」的模板,而標準的就是五點拉普拉斯算子。

它由 x 方向的一維二階導數模板加上 y 方向的而成。在兩方向間距同為 h 的均勻網格上,節點 (i, j) 處的公式為 (u_{i-1,j} + u_{i+1,j} + u_{i,j-1} + u_{i,j+1} - 4 u_{i,j}) / h^2。圖像是一個加號:中心節點權重 -4,四個緊鄰節點(上下左右)各權重 +1,全部除以 h^2。把分子讀成「四個鄰點之和減去四倍中心」——這等於四倍的(鄰點平均減中心),故模板字面上衡量中心比鄰域平均落後多少。其截斷誤差為 O(h^2)。

這個小加號是網格 PDE 求解的主力。在 N×N 網格上用五點模板離散卜瓦松方程 u_xx + u_yy = f,會產生一個大型稀疏線性系統 A u = b,其中 A 的每一列只有五個非零元(模板權重)——正是迭代法、多重網格法或快速卜瓦松求解器擅長攻克的稀疏系統。更寬、更高階的版本存在(九點模板可達 O(h^4)),基本五點式刻意略去對角鄰點,這也是為何它乾淨地捕捉 u_xx + u_yy,卻只二階準確。

在某網格上,一個值為 1 的節點被 0, 0, 0, 0 包圍,五點拉普拉斯給出 (0+0+0+0 - 4*1)/h^2 = -4/h^2——強烈為負,標誌一個擴散會撫平的尖凸起。中心與鄰點皆為 5 的平坦區給出 (20 - 20)/h^2 = 0,常數的拉普拉斯。

加號形模板:四個鄰點各 +1,中心 -4。

在「均勻」正方網格上,基本五點拉普拉斯略去對角鄰點——這對 u_xx + u_yy 是正確的,但意味它只二階且非旋轉對稱,故可能引入輕微的方向偏差。若 x 與 y 間距不同,必須分別加權兩個一維部分;上面的對稱式假設等間距。

又称
five-point stencildiscrete Laplacian五點差分離散拉普拉斯