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ORCID:  http://orcid.org/0009-0005-5317-9205
Document type: Trabalho de Conclusão de Curso
Access type: Acesso Aberto
Title: Método de diferenças finitas para problemas de valor de contorno
Alternate title (s): Finite difference methods for boundary value problems
Author: Vilela, Edinilson Ferreira
First Advisor: Remigio, Santos Alberto Enriquez
First member of the Committee: Remigio, Santos Alberto Enriquez
Second member of the Committee: Figueiredo, Rafael Alves
Third member of the Committee: Rogenski, Josuel Kruppa
Summary: Os problemas de valor de contorno aparecem em diversas áreas das ciências e engenharias, modelando fenômenos do cotidiano, como a distribuição de temperatura, a deformação de estruturas e o comportamento de campos eletromagnéticos. Matematicamente, esses problemas são descritos por equações diferenciais ordinárias ou parciais, as quais frequentemente não possuem solução analítica. Isso torna necessário o uso de métodos numéricos para obter aproximações das soluções. Neste trabalho, o método das diferenças finitas foi escolhido como abordagem principal. O objetivo principal deste trabalho é introduzir o método das diferenças finitas, com foco em seus fundamentos matemáticos e na aplicação à solução de problemas de valor de contorno de segunda ordem em uma e duas dimensões, sujeitos a condições de contorno do tipo Dirichlet. Também são discutidos métodos iterativos estacionários clássicos (Jacobi, Gauss-Seidel e o método Sobre-relaxação Sucessiva) para a resolução dos sistemas de equações lineares resultantes da aplicação do método das diferenças finitas. Em particular, demonstra-se que o uso de diferenças finitas centradas de segunda ordem para aproximar derivadas de segunda ordem garante que a solução numérica convirja com a mesma ordem de precisão. Adicionalmente, é realizada a análise da convergência das soluções dos sistemas lineares resolvidos pelos métodos iterativos, com foco na equação de Poisson associada ao método das diferenças finitas. Resultados numéricos são apresentados para verificar e validar a teoria discutida, demonstrando a eficácia da abordagem.
Abstract: Boundary value problems arise in various fields of science and engineering, modeling everyday phenomena such as temperature distribution, structural deformation, and the behavior of electromagnetic fields. Mathematically, these problems are described by ordinary or partial differential equations, which often lack analytical solutions. This makes necessary the use of numerical methods to obtain approximate solutions. In this work, the finite difference method was chosen as the main approach. The main objective of this study is to introduce the finite difference method, focusing on its mathematical foundations and its application to solving second-order boundary value problems in one and two dimensions, subject to Dirichlet boundary conditions. Classical stationary iterative methods (Jacobi, Gauss-Seidel, and the Successive Over-relaxation method) for solving the linear systems resulting from the finite difference method are also discussed. In particular, it is shown that using second-order centered finite differences to approximate second-order derivatives ensures that the numerical solution converges with the same order of accuracy. Additionally, an analysis of the convergence of the solutions of linear systems solved by iterative methods is conducted, with a focus on the Poisson equation associated with the finite difference method. Numerical results are presented to verify and validate the discussed theory, demonstrating the effectiveness of the approach.
Keywords: Método das diferenças finitas
Equações diferenciais
Problema de valor de contorno
Equação de Poisson
Métodos iterativos
Finite difference method
Differential equations
Boundary value problem
Poisson’s equation
Iterative methods
Area (s) of CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::MATEMATICA
CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::MATEMATICA::MATEMATICA APLICADA
CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::MATEMATICA::MATEMATICA APLICADA::ANALISE NUMERICA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Quote: VILELA, Edinilson Ferreira. Método de diferenças finitas para problemas de valor de contorno. 2024. 73 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Matemática) – Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2018.
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/44343
Date of defense: 21-Nov-2024
Appears in Collections:TCC - Matemática

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