JP2002366537A - Method for analyzing potential problem to satisfy laplace's equation - Google Patents
Method for analyzing potential problem to satisfy laplace's equationInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、電磁場等のラプラ
ス方程式を満足するポテンシャル問題であって、一境界
境域でDirichlet条件とNeumann条件が混在する混合境界
値を有するものを解析する方法に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for analyzing a potential problem that satisfies the Laplace equation such as an electromagnetic field and has a mixed boundary value in which a Dirichlet condition and a Neumann condition are mixed in one boundary region. is there.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、電磁場を計算する方法として、有
限要素法や表面電荷法等の数値計算法が行われてきた。
その数値解析方法の精度の程度を保証するためには、数
式解析による計算が不可欠である。2. Description of the Related Art Conventionally, as a method of calculating an electromagnetic field, a numerical calculation method such as a finite element method or a surface charge method has been used.
In order to guarantee the degree of accuracy of the numerical analysis method, calculation by mathematical analysis is indispensable.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】このような数式解析に
よる方法は2次元場においては簡単であるが、3次元場
においては急に複雑になる。特に電磁場等のポテンシャ
ル問題のポアソン方程式を解くのに、一境界面(2次元
場においては一境界線)での境界条件がDirichlet条件
か、Neumann条件かどちらか一方の場合は簡単に数式的
に求められるが、Dirichlet条件とNeumann条件が混在す
る場合は、簡単には求められない。Such a method based on mathematical analysis is simple in a two-dimensional field, but rapidly becomes complicated in a three-dimensional field. In particular, to solve Poisson's equation for potential problems such as electromagnetic fields, if the boundary condition at one boundary surface (one boundary line in a two-dimensional field) is either the Dirichlet condition or the Neumann condition, it can be simply expressed mathematically. Although it can be obtained, it is not easily obtained when the Dirichlet condition and the Neumann condition coexist.
【0004】このようなポアソン方程式の混合境界値問
題を求めるために、連立方程式を解いて求める方法があ
るが、連立方程式による方法で、この混合境界値問題を
解いても、電磁場分布の計算精度を保証するためには、
連立方程式の未知数をかなり多くする必要がある。つま
り、数式解析の項数が一方向においてN個であると、後
述のように、3次元場においては、項数が二方向にN×
N個である。従って、連立方程式の未知数がNの2乗個
になり、その連立方程式を解くためには計算機のメモリ
ーはNの4乗個必要になる。例えば、N=100なら
ば、メモリーは1億個必要であるが、それ以上のメモリ
ー数を必要とする計算は、現在の計算機の能力として不
可能であるばかりでなく、計算精度も保証できない。There is a method for solving such a mixed boundary value problem of the Poisson equation by solving a simultaneous equation. However, even if this mixed boundary value problem is solved by a method based on the simultaneous equation, the calculation accuracy of the electromagnetic field distribution can be solved. In order to guarantee
The number of unknowns in the simultaneous equations needs to be considerably increased. In other words, if the number of terms in the mathematical analysis is N in one direction, the number of terms in the three-dimensional field is N ×
N. Therefore, the number of unknowns in the system of equations is N square, and to solve the system of equations, the memory of the computer is required to be N 4 powers. For example, if N = 100, 100 million memories are required, but a calculation that requires more memory is not only impossible as the capacity of the current computer, but also cannot guarantee the calculation accuracy.
【0005】3次元の混合境界値問題を高度な数式解析
によって解いた例はあるが、その例は、無限遠において
ゼロで、円盤の表面が等ポテンシャルでDirichlet条件
を満足し、その周囲でNeumann条件を満足するというよ
うな、特別な例に限定される。There is an example in which the three-dimensional mixed boundary value problem is solved by sophisticated mathematical analysis. In this example, the disk is zero at infinity, the surface of the disk is equipotential, and satisfies the Dirichlet condition. It is limited to a special example that satisfies the condition.
【0006】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、電子線走査装置等の場合のように、有限の直方
体の境界面内で、Dirichlet条件とNeumann条件が混在す
るような混合境界値問題において、数式解析の項の係数
を連立方程式を解かないで求める計算方法を提供するこ
とを課題とする。The present invention has been made in view of such circumstances, and a mixed boundary in which a Dirichlet condition and a Neumann condition coexist in a finite rectangular parallelepiped boundary surface as in an electron beam scanning device or the like. It is an object of the present invention to provide a calculation method for calculating a coefficient of a term of a mathematical expression analysis without solving a simultaneous equation in a value problem.
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の第1の手段は、ラプラス方程式を満足し、一境界境域
でDirichlet条件とNeumann条件が混在する混合境界値を
有するポテンシャル問題の解を求める方法であって、Di
richlet条件とNeumann条件を交互に反復して解くことを
特徴とするラプラス方程式を満足するポテンシャル問題
の解析方法(請求項1)である。A first means for solving the above problem is to solve a potential problem which satisfies the Laplace equation and has a mixed boundary value in which a Dirichlet condition and a Neumann condition are mixed in one boundary region. The way to ask
A method for analyzing a potential problem that satisfies the Laplace equation characterized by solving a richlet condition and a Neumann condition alternately and repeatedly (claim 1).
【0008】後に実施の形態の欄で詳しく説明するよう
に、Dirichlet条件を単独に考慮した場合、Neumann条件
を単独に考慮した場合には、ラプラス方程式は比較的容
易に解くことができる。本手段においてはこのことに着
目し、まず、Dirichlet条件を単独に考慮した場合につ
いて解を求め、その解に補正項を加えることによりNeum
ann条件を満たすような解を得る。その解はDirichlet条
件を満たさないので、さらに補正項を加えることにより
Dirichlet条件を満たすようにする。その解は、Neumann
条件を満たさないので、さらに補正項を加えることによ
りNeumann条件を満たすようにする。これを繰り返して
収束させることにより、連立方程式を解くことなく、実
用的な範囲内でDirichlet条件とNeumann条件とを共に満
足する解を求めることができる。As will be described later in detail in the embodiments, when the Dirichlet condition is considered alone, and when the Neumann condition is considered alone, the Laplace equation can be solved relatively easily. In this means, focusing on this, first, a solution is obtained for the case in which the Dirichlet condition is considered alone, and a correction term is added to the solution to obtain the Neum.
Obtain a solution that satisfies the ann condition. Since the solution does not satisfy the Dirichlet condition,
Meet Dirichlet conditions. The solution is Neumann
Since the condition is not satisfied, the Neumann condition is satisfied by adding a correction term. By repeatedly performing convergence, a solution satisfying both the Dirichlet condition and the Neumann condition can be obtained within a practical range without solving the simultaneous equations.
【0009】前記課題を解決するための第2の手段は、
前記第1の手段により解を求め、反復計算を打ち切った
ときの、Dirichlet条件を満足する解と、Neumann条件を
満足する解の相加平均を最終解とすることを特徴とする
ラプラス方程式を満足するポテンシャル問題の解析方法
(請求項2)である。[0009] A second means for solving the above-mentioned problems is as follows.
A solution is obtained by the first means, and when the iterative calculation is terminated, a Laplace equation characterized by the fact that the final solution is the arithmetic mean of the solution satisfying the Dirichlet condition and the solution satisfying the Neumann condition is satisfied. (Claim 2).
【0010】前記第1の手段においては、Dirichlet条
件を満足する解とNeumann条件を満足する解とは、お互
いに漸近するが一致することがない。本手段において
は、反復計算を打ち切ったときの、これらの解の相加平
均を最終解として得るようにしているので、前記第1の
手段よりも真の解に近い解が得られる。In the first means, the solution that satisfies the Dirichlet condition and the solution that satisfies the Neumann condition are asymptotic to each other but do not match. In this means, the arithmetic mean of these solutions at the time of terminating the iterative calculation is obtained as the final solution, so that a solution closer to the true solution than in the first means is obtained.
【0011】前記課題を解決するための第3の手段は、
前記第1の手段により解を求め、その解を構成する級数
の最大項数が無限大の場合の係数の値を、有限の最大項
数の場合の係数から、最小2乗法により推定し、推定さ
れた係数を使用して、最終解を求めることを特徴とする
ラプラス方程式を満足するポテンシャル問題の解析方法
(請求項3)である。A third means for solving the above-mentioned problem is as follows.
The solution is obtained by the first means, and the value of the coefficient when the maximum number of terms of the series constituting the solution is infinite is estimated from the coefficient when the maximum number of terms is finite by the least square method. A method for analyzing a potential problem that satisfies the Laplace equation, characterized in that a final solution is obtained using the obtained coefficients.
【0012】前述のように、前記第1の手段においては
解を構成する級数の最大項数を多くすると、得られる解
は真の解に漸近するが、真の解には一致しない。真の解
を得るためには、級数の最大項数を無限大にする必要が
ある。そこで、本手段においては、級数の最大項数を無
限大にしたときに得られる解の係数を、有限個の級数に
よる計算の結果得られた解の係数より、最小2乗法によ
って推定するようにしている。このようにすることによ
り、無限個の級数による計算を行わなくても、無限個の
級数による計算を行った場合に近い解を得ることができ
る。As described above, in the first means, when the maximum number of terms of the series constituting the solution is increased, the obtained solution asymptotically approaches the true solution but does not coincide with the true solution. To get a true solution, the maximum number of terms in the series must be infinite. Therefore, in this means, the coefficient of the solution obtained when the maximum number of terms of the series is set to infinity is estimated by the least squares method from the coefficient of the solution obtained as a result of calculation using a finite number of series. ing. By doing so, it is possible to obtain a solution close to the case where calculation is performed using an infinite number of series, without performing calculation using an infinite number of series.
【0013】前記課題を解決するための第4の手段は、
2次元空間において、ラプラス方程式を満足し、一境界
境域でDirichlet条件とNeumann条件が混在する混合境界
値を有するポテンシャル問題の解を求める方法であっ
て、無限遠でゼロポテンシャルの解析解を第一段階とし
て、第二段階および第三段階でDirichlet条件のみの境
界条件の線上でラプラス方程式を満足するように解析解
を重ね合わせた後、それに補正項を加えたものについ
て、請求項1から請求項3のうちいずれか1項に記載の
方法により解を求めることを特徴とするラプラス方程式
を満足するポテンシャル問題の解析方法(請求項4)で
ある。A fourth means for solving the above-mentioned problem is as follows.
A method for solving a potential problem that satisfies the Laplace equation in a two-dimensional space and has a mixed boundary value in which the Dirichlet condition and the Neumann condition coexist in one boundary region. The method according to claim 1, wherein in the second and third steps, the analytical solution is superimposed on the line of the boundary condition including only the Dirichlet condition so as to satisfy the Laplace equation, and a correction term is added thereto. A method for analyzing a potential problem that satisfies the Laplace equation, characterized in that a solution is obtained by the method described in any one of (3) and (4).
【0014】2次元空間においては、後に実施の形態の
欄で詳しく説明するように、無限遠でゼロポテンシャル
の解析解は簡単に求まるので、これを第一段階として、
第二段階および第三段階でDirichlet条件のみの境界条
件の線上でラプラス方程式を満足するように補正項を加
え、解析解を重ね合わせることにより、ある程度精度の
良い近似解が得られる。そして、この近似解を初期条件
として、これに補正項を加えたものについて、前記第1
の手段から第3の手段を適用して解を求めることによ
り、はじめから前記第1の手段から第3の手段を適用す
るよりも解の収束を早くすることができる。In a two-dimensional space, an analytical solution of zero potential at infinity is easily obtained, as will be described later in detail in the embodiment section.
In the second and third steps, a correction term is added so as to satisfy the Laplace equation on the line of the boundary condition of only the Dirichlet condition, and the analytical solution is superimposed, so that an approximate solution with some accuracy can be obtained. Using the approximate solution as an initial condition and a correction term added thereto, the first condition
By applying the third means to the third means to obtain a solution, the convergence of the solution can be made faster than by applying the third means from the first means from the beginning.
【0015】前記課題を解決するための第5の手段は、
2次元空間において、ラプラス方程式を満足し、一境界
境域でDirichlet条件とNeumann条件が混在する混合境界
値を有するポテンシャル問題の解を求める方法であっ
て、前記第1の手段又は第2の手段によって求めた解
と、前記第4の手段によって求めた解を線形結合させ、
その線形結合の係数を、その解を構成する級数の最大項
数が変化した場合に、その級数の定数項の変動が最小と
なるように、最小2乗法によって決定し、決定された線
形結合の係数によって線形結合された、前記第1の手段
又は第2の手段によって求めた解と、前記第4の手段に
よって求めた解の結合を最終解とすることを特徴とする
ラプラス方程式を満足するポテンシャル問題の解析方法
(請求項5)である。[0015] A fifth means for solving the above problems is as follows.
In a two-dimensional space, a method for finding a solution to a potential problem that satisfies the Laplace equation and has a mixed boundary value in which a Dirichlet condition and a Neumann condition coexist in one boundary region, wherein the first or second means The obtained solution is linearly combined with the solution obtained by the fourth means,
The coefficient of the linear combination is determined by the least squares method so that the variation of the constant term of the series is minimized when the maximum number of terms of the series forming the solution changes, and the determined linear combination A potential that satisfies the Laplace equation, characterized in that the final solution is a combination of the solution obtained by the first means or the second means and the solution obtained by the fourth means, which is linearly combined by coefficients. This is a problem analysis method (claim 5).
【0016】後に実施の形態の欄で詳しく説明するよう
に、前記第1の手段又は第2の手段によって求めた解
と、前記第4の手段によって求めた解を線形結合させ、
その線形結合の係数を、その解を構成する級数の最大項
数が変化した場合に、その級数の定数項の変動が最小と
なるように、最小2乗法によって決定すると、その結合
係数を用いて線形結合した解は、その解を構成する最大
項数が変化しても少ししか変化しなくなる。このこと
は、その解が極めて真の解に近いことを意味している。
よって、本手段によれば、級数の最大項数が小さい段階
において、真の解に近い解を容易に求めることができ
る。As will be described later in detail in the embodiment section, the solution obtained by the first means or the second means and the solution obtained by the fourth means are linearly combined,
When the coefficient of the linear combination is determined by the least-squares method so that the variation of the constant term of the series is minimized when the maximum number of terms of the series forming the solution changes, using the coupling coefficient The linearly combined solution changes only slightly even if the maximum number of terms constituting the solution changes. This means that the solution is very close to the true solution.
Therefore, according to this means, a solution close to the true solution can be easily obtained at a stage where the maximum number of terms in the series is small.
【0017】前記課題を解決するための第6の手段は、
前記第1の手段から第5の手段のいずれかであって、ポ
テンシャル問題が、電磁場におけるポテンシャル問題で
あることを特徴とするもの(請求項6)である。A sixth means for solving the above-mentioned problem is:
In any one of the first to fifth means, the potential problem is a potential problem in an electromagnetic field (claim 6).
【0018】前記第1の手段から第5の手段のいずれか
を電磁場におけるポテンシャル問題に応用することによ
り、電磁場解析における有限要素法や表面電荷法等の数
値解析方法の精度の程度を保証することができる。By applying any one of the first to fifth means to a potential problem in an electromagnetic field, the degree of accuracy of a numerical analysis method such as a finite element method or a surface charge method in an electromagnetic field analysis is guaranteed. Can be.
【0019】前記課題を解決するための第7の手段は、
前記第1の手段から第5の手段のいずれかであって、ポ
テンシャル問題が、熱エネルギー場におけるポテンシャ
ル問題であることを特徴とするもの(請求項7)であ
る。A seventh means for solving the above problem is as follows.
In any one of the first to fifth means, the potential problem is a potential problem in a thermal energy field (claim 7).
【0020】前記第1の手段から第5の手段のいずれか
を電磁場におけるポテンシャル問題に応用することによ
り、熱流解析における有限要素法等の精度の程度を保証
することができる。By applying any one of the first to fifth means to a potential problem in an electromagnetic field, the degree of accuracy of the finite element method or the like in heat flow analysis can be guaranteed.
【0021】[0021]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の例
を、図を用いて説明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【0022】先ず、解くべき3次元の混合境界値問題に
ついて説明する。図1において、直方体ABCDEFG
Hがあり、その各頂点は、xyz座標系でA(a,b,c),
B(a,-b,c),C(-a,-b,c),D(-a,b,c),E(a,b,0),F
(a,-b,0),G(-a,-b,0),H(-a,b,0)であるとする。First, the three-dimensional mixed boundary value problem to be solved will be described. In FIG. 1, a rectangular parallelepiped ABCDEFG is shown.
H, each vertex of which is A (a, b, c), in the xyz coordinate system.
B (a, -b, c), C (-a, -b, c), D (-a, b, c), E (a, b, 0), F
(a, -b, 0), G (-a, -b, 0), and H (-a, b, 0).
【0023】この直方体の6面のうち、面ABCDのみ
がゼロ以外の境界電位分布を持ち、面の中央部に1000ボ
ルトの一定電圧の電極があり、Dirichlet条件を満足
し、その面の周辺部においてOf the six faces of this rectangular parallelepiped, only the face ABCD has a non-zero boundary potential distribution, an electrode having a constant voltage of 1000 V at the center of the face, which satisfies the Dirichlet condition, and has a peripheral part of the face. At
【0024】[0024]
【数1】 (Equation 1)
【0025】というようなNeumann条件を満足し、その
他の5面は全面において0ボルトのDirichlet条件を満
足するとする。It is assumed that the Neumann condition is satisfied and the other five surfaces satisfy the Dirichlet condition of 0 volt on the entire surface.
【0026】直方体-a≦x≦a,-b≦y≦b,0≦z≦c の面の
うち、z=c の面のみがゼロ以外の電位分布である場合の
解析解は、The analytic solution in the case where only the plane of z = c among the planes of -a≤x≤a, -b≤y≤b, 0≤z≤c has a non-zero potential distribution is
【0027】[0027]
【数2】 (Equation 2)
【0028】である。 ただし、ai=(2i-1)π/(2a), bj=(2j-1)π/(2b) …(2) でi,j は整数である。(1)式における項数の最大値
Nは理想的には無限大であるが、計算時間の制約からあ
る有限の値にしなくてはならない。式(1)における係
数Aijをどのようにして解くかが問題となる。Is as follows. Here, a i = (2i−1) π / (2a), b j = (2j−1) π / (2b) (2) where i and j are integers. Although the maximum value N of the number of terms in the equation (1) is ideally infinite, it must be a certain finite value due to the restriction of the calculation time. The problem is how to solve the coefficient A ij in the equation (1).
【0029】本発明の実施の形態を説明する前に、この
係数Aijを連立方程式で解く方法について説明する。
面ABCDの中心部に長方形の電極があり、その長方形
の頂点の座標を(x1,y1,c)、(x1,y2,c)、(x2,y1,
c)、(x2,y2,c) とし、電極の定電圧値をVMとする場
合、つまりx1≦x≦x2,y1≦y≦y2 の範囲内でV(x,
y,c)=VMのDirichlet条件を満足を満足し、それ以外の
面ABCDの内部の範囲でBefore describing the embodiment of the present invention, a method of solving the coefficients Aij by simultaneous equations will be described.
There is a rectangular electrode at the center of the surface ABCD, and the coordinates of the vertices of the rectangle are (x 1 , y 1 , c), (x 1 , y 2 , c), (x 2 , y 1 ,
c), (x 2, y 2, c) and then, when the constant voltage value of the electrode and V M, that is x 1 ≦ x ≦ x 2, y 1 ≦ y in the range of ≦ y 2 V (x,
y, c) = satisfied satisfies Dirichlet condition V M, within the range of the other surface ABCD
【0030】[0030]
【数3】 (Equation 3)
【0031】のNeumann条件を満足する場合、(1)式
の電圧V(x,y,z)は、以下の式を満足する。When the Neumann condition is satisfied, the voltage V (x, y, z) in the expression (1) satisfies the following expression.
【0032】[0032]
【数4】 (Equation 4)
【0033】(3)式の右辺の第一項は、電極上でDiri
chlet条件を満足し、第二項および第三項の和でNeumann
条件を満足する。(3)式に(1)式を代入することに
より、係数Aijに関する連立方程式が次のように求め
られる。The first term on the right-hand side of the equation (3) is Diri on the electrode.
satisfies the chlet condition, and Neumann is the sum of the second and third terms
Satisfies the conditions. By substituting the equation (1) into the equation (3), a simultaneous equation relating to the coefficient A ij is obtained as follows.
【0034】[0034]
【数5】 (Equation 5)
【0035】しかし、この式の右辺において、i≠k,j
≠l の項がゼロにならない、即ち、直交化できないの
で、係数Aijを求めるのに連立方程式を解く必要があ
る。前述のように、この方法で計算すると多大の計算機
メモリーを必要とする。However, on the right side of this equation, i ≠ k, j
Since the term of ≠ l does not become zero, that is, it cannot be orthogonalized, it is necessary to solve a simultaneous equation in order to obtain the coefficient A ij . As described above, calculating in this manner requires a large amount of computer memory.
【0036】そこで、数式解析の項の係数を、連立方程
式を解かないで求めるために、次のような計算方法を開
発した。即ち、最初に面ABCDでの初期電圧分布を仮
定する。この電圧分布を、x1≦x≦x2,y1≦y≦y2
の範囲内でV(x,y,c)=VM それ以外はV(x,y,c)=0の
場合、(1)式のような形で表現した第一Dirichlet近
似解は、Therefore, the following calculation method was developed in order to obtain the coefficients of the terms of the mathematical analysis without solving the simultaneous equations. That is, first, an initial voltage distribution on the surface ABCD is assumed. This voltage distribution is expressed as x 1 ≦ x ≦ x 2 , y 1 ≦ y ≦ y 2
If within the range of V (x, y, c) = V M Otherwise V (x, y, c) = 0 of, (1) a first Dirichlet approximate solution expressed in the form, such as expression,
【0037】[0037]
【数6】 (Equation 6)
【0038】となり、Dirichlet条件を満足する式Which satisfies the Dirichlet condition
【0039】[0039]
【数7】 (Equation 7)
【0040】に代入すると、Substituting into
【0041】[0041]
【数8】 (Equation 8)
【0042】となるが、右辺の積分の部分は、i=k ,j=
l 以外の項はゼロになり、直交化できるので、Where the integral part on the right side is i = k, j =
Terms other than l are zero and can be orthogonalized, so
【0043】[0043]
【数9】 (Equation 9)
【0044】となり、連立方程式を解かなくても係数A
1 klを求めることができる。この第一次Dirichlet近
似解はx1≦x≦x2,y1≦y≦y2の範囲外でThus, the coefficient A can be obtained without solving the simultaneous equations.
1 kl can be determined. This first order Dirichlet approximate solution is out of the range of x 1 ≦ x ≦ x 2 , y 1 ≦ y ≦ y 2
【0045】[0045]
【数10】 (Equation 10)
【0046】のNeumann条件を満足していないので、Since the Neumann condition is not satisfied,
【0047】[0047]
【数11】 [Equation 11]
【0048】を加えることによって、この範囲でNeuman
n条件を満足するようにする。そのためには、以下の式
を満足すればよい。By adding Neuman in this range.
Satisfy n conditions. For that purpose, the following expression may be satisfied.
【0049】[0049]
【数12】 (Equation 12)
【0050】但し、(10)式の第一項の積分範囲However, the integral range of the first term of the equation (10)
【0051】[0051]
【数13】 (Equation 13)
【0052】は、Is
【0053】[0053]
【数14】 [Equation 14]
【0054】を表わす。(10)式に(9)式を代入す
ると、(7)式の場合と同様に、第二項の積分の部分
は、i=k ,j=l 以外の項はゼロになり、直交化できるの
で、Represents By substituting equation (9) into equation (10), as in the case of equation (7), the integral part of the second term becomes zero except for i = k and j = l and can be orthogonalized. So
【0055】[0055]
【数15】 (Equation 15)
【0056】となり、連立方程式を解かなくても係数B
1 klを求めることができる。Thus, the coefficient B can be obtained without solving the simultaneous equations.
1 kl can be determined.
【0057】(12)式で求めた係数を直接足し合わせ
ていくと、解が発散する場合があるので、係数B1 kl
に、ファクターρをかけたρB1 klを係数A1 klに
足した係数A1 kl+ρB1 klを式(1)の係数A
ijに代入して、第一次Neumann近似解とする。つま
り、V1(x,y,z)+ρV'1(x,y,z)を第一次Neumann近似
解とする。ファクターρの値は、0<ρ<1の範囲内
で、ρ=0.5が適当である。この解は、x1≦x≦x2,y1
≦y≦y2の範囲内でV(x,y,c)=VM のDirichlet条件を
満足していないので、電圧分布If the coefficients obtained by the equation (12) are directly added, the solution may diverge. Therefore, the coefficient B 1 kl
And a coefficient A 1 kl + ρB 1 kl obtained by adding ρB 1 kl multiplied by a factor ρ to a coefficient A 1 kl is obtained as a coefficient A in the equation (1).
ij to obtain a first-order Neumann approximate solution. That is, V 1 (x, y, z) + ρV ′ 1 (x, y, z) is defined as a first-order Neumann approximate solution. An appropriate value of the factor ρ is within a range of 0 <ρ <1, and ρ = 0.5 is appropriate. The solution is x 1 ≦ x ≦ x 2 , y 1
≦ y ≦ y V in the range of 2 (x, y, c) because it does not satisfy the Dirichlet conditions = V M, voltage distribution
【0058】[0058]
【数16】 (Equation 16)
【0059】を加えることにより、再びDirichlet条件
を満足するように、以下の式を満足させる。By adding, the following expression is satisfied so as to satisfy the Dirichlet condition again.
【0060】[0060]
【数17】 [Equation 17]
【0061】(14)式に(13)式を代入すると、
(7)式の場合と同様に、右辺の積分の部分はi=k ,j=
l 以外の項はゼロになり、直交化できるので、By substituting equation (13) into equation (14),
As in the case of equation (7), the integral part on the right side is i = k, j =
Terms other than l are zero and can be orthogonalized, so
【0062】[0062]
【数18】 (Equation 18)
【0063】となり、連立方程式を解かなくても係数A
2 klを求めることができる。Thus, the coefficient A can be obtained without solving the simultaneous equations.
2 kl can be determined.
【0064】このように、Dirichlet条件による解とNeu
mann条件による解を交互に反復して満足するようにする
と、連立方程式を解かなくても、係数A1 kl,B1
kl,A2 kl,… を求めることができる。それによ
り求められた解を、 V(x,y,z)=V1+ρV'1+ρV2+…… …(16) というように次々と重ね合わせることによって、解を収
束させることができる。この計算方法を、D−N反復法
と呼ぶことにする。以上のように説明したD−N反復法
のアルゴリズム図を図2に示す。As described above, the solution under the Dirichlet condition and Neu
If the solution based on the mann condition is satisfied repeatedly and alternately, the coefficients A 1 kl and B 1 can be obtained without solving the simultaneous equations.
kl, A 2 kl, ... it can be obtained. By superimposing the obtained solutions one after another as V (x, y, z) = V 1 + ρV ′ 1 + ρV 2 +... (16), the solution can be converged. . This calculation method will be referred to as a DN iteration method. FIG. 2 shows an algorithm diagram of the DN repetition method described above.
【0065】A1 kl,B1 kl,A2 kl,…項数
k、lの最大値が無限大ならば、充分多く重ね合わせれ
ば、Dirichlet条件による解とNeumann条件による解は完
全に一致すると考えられるが、実際には、計算時間の制
約から、項数k、lの最大値をある有限の値で打ち切ら
なければならない。その場合、Dirichlet条件による解
とNeumann条件による解は完全には一致しないので、解
はある微小な幅で振幅することになる。そこで、Dirich
let条件による解とNeumann条件による解との相加平均
を、両条件がつりあった妥当な解とする。A 1 kl , B 1 kl , A 2 kl ,... If the maximum value of the number of terms k and l is infinite, if the superposition is sufficiently large, the solution under the Dirichlet condition and the solution under the Neumann condition completely agree. Although it is conceivable, in practice, the maximum value of the number of terms k and l must be cut off at a certain finite value due to the limitation of calculation time. In that case, the solution under the Dirichlet condition and the solution under the Neumann condition do not completely match, and the solution will oscillate with a certain small width. So Dirich
Let the arithmetic mean of the solution under the let condition and the solution under the Neumann condition be a reasonable solution that balances both conditions.
【0066】計算の第一実施例として、直方体ABCD
EFGHの各頂点が、xyz座標系でA(a,b,c),B(a,
-b,c),C(-a,-b,c),D(-a,b,c),E(a,b,0),F(a,-
b,0),G(-a,-b,0),H(-a,b,0)であって、a=b=50m
m,c=100mm,長方形の電極の頂点の座標が(x1,y1,
c)、(x1,y2,c)、(x2,y1,c)、(x2,y2,c) であっ
て、x1=y1=-25mm,x2=y2=25mm で、電極の電圧が10
00Vの定電圧であり、電極面以外の面ABCDの内部の
範囲でAs a first example of calculation, a rectangular parallelepiped ABCD
Each vertex of the EFGH is represented by A (a, b, c), B (a,
-b, c), C (-a, -b, c), D (-a, b, c), E (a, b, 0), F (a,-
b, 0), G (-a, -b, 0), H (-a, b, 0), where a = b = 50m
m, c = 100 mm, the coordinates of the vertices of the rectangular electrode are (x 1 , y 1 ,
c), (x 1, y 2, c), (x 2, y 1, c), a (x 2, y 2, c ), x 1 = y 1 = -25mm, x 2 = y 2 = 25mm and the electrode voltage is 10
It is a constant voltage of 00 V, and in a range inside the surface ABCD other than the electrode surface.
【0067】[0067]
【数19】 [Equation 19]
【0068】のNeumann条件を満足する場合の、直方体
ABCDEFGHの内部の電圧分布を計算した。その計
算結果のうち、面ABCDでの等電位線を図3に、y=
0の断面での等電位線を図4に示す。The voltage distribution inside the rectangular parallelepiped ABCDEFGH when the Neumann condition of the above was satisfied was calculated. Of the calculation results, the equipotential lines on the surface ABCD are shown in FIG.
FIG. 4 shows equipotential lines at a cross section of zero.
【0069】図5の曲線aは、上記の実施例をD―N反
復法で解いて、充分収束させたときの最初の係数A11
の変動を、最大項数Nの関数として表わしたものであ
る。そして、また係数A11以外の全ての係数も同様に
変動する。混合境界値問題でなくて、係数が直交化によ
って求められる場合は、最大項数Nによって係数が変動
することはない。しかし、混合境界値問題をD―N反復
法や連立方程式で解いた場合、少なくとも一境界面で、
Dirichlet条件とNeumann条件をバランスさせなければな
らないため、最大項数Nによって係数が変動すると考え
られる。そして、最大項数Nが無限大のときの収束した
係数の値が、真の解と考えられる。The curve a in FIG. 5 shows the first coefficient A 11 when the above embodiment is solved by the DN iterative method and sufficiently converged.
Is expressed as a function of the maximum number of terms N. Then, also all coefficients other than the coefficient A 11 also varies similarly. If the coefficient is obtained by orthogonalization instead of the mixed boundary value problem, the coefficient does not vary depending on the maximum number of terms N. However, when the mixed boundary value problem is solved by the DN iteration method or the simultaneous equations, at least one boundary surface,
Since the Dirichlet condition and the Neumann condition must be balanced, the coefficient is considered to vary depending on the maximum number N of terms. Then, the value of the converged coefficient when the maximum number of terms N is infinite is considered to be a true solution.
【0070】図5より明らかなように、最大項数が1000
でも、係数A11は充分収束していないので、計算結果
は充分収束しているとは言えない。そこで次のような、
絶対値をより確実に求める方法を、2次元の混合境界値
問題について開発した。As is apparent from FIG. 5, the maximum number of terms is 1000
But, since the coefficient A 11 is not sufficient convergence, the calculation result can not be said to be sufficient convergence. So,
A method to more reliably calculate the absolute value was developed for the two-dimensional mixed boundary value problem.
【0071】2次元の混合境界値問題として、長方形A
BCDの境界内部の電位分布を求める場合を考え、長方
形の各頂点は、xz座標系で、A(a,0),B(-a,0),C
(a,c),D(-a,c)とする。辺CDの中心-x2≦x≦x2の
範囲内のみV(x,c)=VM のDirichlet条件を満足し、
それ以外の辺CD上の範囲で、Neumann条件を満足する
とする。辺CD以外の3辺は、全てV=0のDirichlet
条件を満足するとする。As a two-dimensional mixed boundary value problem, a rectangle A
Considering the case of finding the potential distribution inside the boundary of the BCD, each vertex of the rectangle is represented by A (a, 0), B (-a, 0), C in the xz coordinate system.
(a, c) and D (-a, c). Only within the central -x 2 ≦ x ≦ x 2 sides CD V (x, c) satisfies the Dirichlet conditions = V M,
It is assumed that the Neumann condition is satisfied in other ranges on the side CD. All three sides other than side CD are Dirichlet with V = 0
Assume that the conditions are satisfied.
【0072】第一段階として、辺CDの中心-x2≦x≦x
2の範囲内のみV(x,c)=VM のDirichlet条件を満足
し、それ以外の辺CD上の範囲で、Neumann条件を満足
し、無限遠でゼロであるような解析解を求める。このよ
うな解は、複素関数の写像から求められる。即ち、複素
数x+iz、およびu+iv に、写像x+i(c-z)=x2cosh(u+iv)
の関係があるとすると、x=x2cosh(u)cos(v),c-z=x2s
inh(u)sin(v) より、As a first step, the center of the side CD -x 2 ≦ x ≦ x
Only 2 of the range V (x, c) = satisfied Dirichlet condition V M, a range on the side CD of the otherwise satisfies the Neumann condition, determining the analytical solution as is zero at infinity. Such a solution is obtained from a mapping of a complex function. That is, the mapping x + i (cz) = x 2 cosh (u + iv) to the complex numbers x + iz and u + iv
X = x 2 cosh (u) cos (v), cz = x 2 s
From inh (u) sin (v),
【0073】[0073]
【数20】 (Equation 20)
【0074】となり、uをパラメータとして等電位線を
描くことができるので、(x,c)で、-x 2≦x≦x2 の範囲
で、V1(x,c)=VM ,C(a,c),D(-a,c)で、V1(a,
c)=V1(-a,c)=0とする。Then, using u as a parameter, an equipotential line
Because you can draw, (x, c), -x 2≦ x ≦ x2 Range
And V1(x, c) = VM , C (a, c), D (-a, c) and V1(a,
c) = V1(-a, c) = 0.
【0075】第二段階として、As a second step,
【0076】[0076]
【数21】 (Equation 21)
【0077】但し、ci=(2i-1)π/(2c) となる電位分布を考え、V1(x,z)+V2(x,z)が辺AC
と辺BDの両境界線で0Vとなるようにする。つまり、
x=±aで0Vとなるように、V1(±a,z)+V2(±a,
z)=0とおく。However, considering a potential distribution where c i = (2i−1) π / (2c), V 1 (x, z) + V 2 (x, z) is defined by the side AC
0V at both boundaries of the edge and the side BD. That is,
V 1 (± a, z) + V 2 (± a,
z) = 0.
【0078】[0078]
【数22】 (Equation 22)
【0079】とし、(19)式の第二項に(18)式を
代入すると、直交関係によりi=j以外の項はゼロにな
り、When the equation (18) is substituted into the second term of the equation (19), terms other than i = j become zero due to the orthogonal relation, and
【0080】[0080]
【数23】 (Equation 23)
【0081】となるので、これより係数Ajが求められ
る。The coefficient Aj is obtained from this.
【0082】第三段階として、As a third step,
【0083】[0083]
【数24】 (Equation 24)
【0084】但し、ai=(2i-1)π/(2a) となる電位分布を考え、V1(x,z)+V2(x,z)+V3(x,
z)が辺ABの境界線で0Vとなるようにする。つまり、
z=0で0Vとなるように、V1(x,0)+V2(x,0)+V3
(x,0)=0とおく。 V12(x,z)=V1(x,z)+V2(x,z) …(22) とおき、However, considering a potential distribution where a i = (2i−1) π / (2a), V 1 (x, z) + V 2 (x, z) + V 3 (x,
z) is set to 0 V at the boundary line of the side AB. That is,
V 1 (x, 0) + V 2 (x, 0) + V 3 so that the voltage becomes 0 V at z = 0.
(x, 0) = 0. V 12 (x, z) = V 1 (x, z) + V 2 (x, z) (22)
【0085】[0085]
【数25】 (Equation 25)
【0086】とし、(23)式の第二項に(21)式を
代入すると、直交関係によりi=j以外の項はゼロにな
り、When the equation (21) is substituted into the second term of the equation (23), the terms other than i = j become zero due to the orthogonal relation, and
【0087】[0087]
【数26】 (Equation 26)
【0088】となるので、これから係数Bjが求められ
る。Thus, the coefficient B j is obtained from this.
【0089】第四段階として、As the fourth stage,
【0090】[0090]
【数27】 [Equation 27]
【0091】ただし、ai=(2i-1)π/(2a) となる電位分布を考え、 V1(x,z)+V2(x,z)+V3(x,z)+V4(x,z) が辺CDの境界線で中心-x2≦x≦x2の範囲内のみV
(x,c)=VMのDirichlet条件を満足し、それ以外の辺C
D上の範囲で、Neumann条件を満足するように、D―N
反復法で、繰り返し計算して解を得る。即ち、 V13=V1(x,z)+V2(x,z)+V3(x,z) …(26) と置き、第一次Neumann近似解をHowever, considering a potential distribution where ai = (2i-1) π / (2a), V 1 (x, z) + V 2 (x, z) + V 3 (x, z) + V 4 (x, z) is the center of the boundary of side CD and V is only within the range of -x 2 ≦ x ≦ x 2
(x, c) = satisfied Dirichlet condition V M, the other side C
In the range on D, DN is satisfied so as to satisfy the Neumann condition.
A solution is obtained by iterative calculation using an iterative method. That is, V 13 = V 1 (x, z) + V 2 (x, z) + V 3 (x, z) (26), and the first order Neumann approximate solution is obtained.
【0092】[0092]
【数28】 [Equation 28]
【0093】と置き、Neumann条件を満足する式And an expression satisfying the Neumann condition
【0094】[0094]
【数29】 (Equation 29)
【0095】に代入すると、右辺の積分の部分は、i=j
以外の項はゼロになり、直交化できるので、Then, the integral part on the right side becomes i = j
The other terms are zero and can be orthogonalized, so
【0096】[0096]
【数30】 [Equation 30]
【0097】となり、連立方程式を解かなくても係数D
1 jを求めることができる。次に、 V(x,z)14,1=V13(x,z)+ρV4,1(x,z) …(30) と置く。ファクターρは3次元の場合と同じく解の発散
を防ぐためのもので、その値は、0<ρ<1の範囲内
で、0.5が適当である。第一次Dirichlet近似解をThus, the coefficient D can be obtained without solving the simultaneous equations.
1 j can be determined. Next, V (x, z) 14,1 = V 13 (x, z) + ρV 4,1 (x, z) (30) is set. The factor ρ is for preventing the divergence of the solution as in the case of the three-dimensional case, and its value is suitably 0.5 in the range of 0 <ρ <1. First approximation Dirichlet solution
【0098】[0098]
【数31】 (Equation 31)
【0099】と置き、Dirichlet条件を満足する式And an expression satisfying the Dirichlet condition
【0100】[0100]
【数32】 (Equation 32)
【0101】に代入すると、右辺の積分の部分は、i=j
以外の項はゼロになり、直交化できるので、Substituting into, the integral part on the right side is i = j
The other terms are zero and can be orthogonalized, so
【0102】[0102]
【数33】 [Equation 33]
【0103】となり、連立方程式を解かなくても係数
D'1 jを求めることができる。同様にして、次々と、
係数D2 j,D'2 j,… を求めることができ、最終的
に、Thus, the coefficient D ′ 1 j can be obtained without solving the simultaneous equations. Similarly, one after another,
The coefficients D 2 j , D ′ 2 j ,...
【0104】[0104]
【数34】 (Equation 34)
【0105】というように次々と重ね合わせることによ
って、解を収束させることができる。このような計算方
法を「多段階法+D―N反復法」と呼ぶことにする。以
上のように説明した「多段階法+D―N反復法」のアル
ゴリズム図を図6に示してある。The solution can be converged by superimposing one after another as described above. Such a calculation method will be referred to as a “multi-stage method + DN iteration method”. FIG. 6 shows an algorithm diagram of the “multi-stage method + DN repetition method” described above.
【0106】第二実施例として、この方法による計算を
行なった。すなわち、長方形ABCDの各頂点がxz座
標系でA(a,0),B(-a,0),C(a,c),D(-a,c)にあるも
のとし、a=50mm,c=100mm,線形の電極の頂点の座標が
(x1,c)、(x2,c)であるものとし、x1=-25mm,x2=25m
mで、電極の電圧が1000Vの定電圧であり、電極面以外
の面ABCDの内部の範囲でAs a second embodiment, calculations were performed by this method. That is, it is assumed that each vertex of the rectangle ABCD is located at A (a, 0), B (-a, 0), C (a, c), D (-a, c) in the xz coordinate system, and a = 50 mm, c = 100mm, the coordinates of the vertices of the linear electrode are
(x 1, c), assumed to be (x 2, c), x 1 = -25mm, x 2 = 25m
m, the voltage of the electrode is a constant voltage of 1000 V, and within a range inside the surface ABCD other than the electrode surface.
【0107】[0107]
【数35】 (Equation 35)
【0108】のNeumann条件を満足する場合の、長方形
ABCDの内部の電圧分布を計算した。この「多段階法
+D―N反復法」の第一段階の無限遠でゼロであるよう
な解析解による等電位線をあらわしたのが、図7であ
り、第一段階と第二段階の解を合計したものが、図8で
あり、第一段階から第三段階までの解を合計したもの
が、図9であり、第一段階から第四段階までの解を合計
したものが、図10である。The voltage distribution inside the rectangular ABCD when the Neumann condition of the above was satisfied was calculated. FIG. 7 shows equipotential lines by an analytical solution that is zero at infinity in the first stage of the “multi-stage method + DN iteration”, and FIG. FIG. 8 shows the total of the solutions from the first stage to the third stage, and FIG. 9 shows the total of the solutions from the first stage to the fourth stage. It is.
【0109】以上に説明した「多段階法+D―N反復
法」と、D―N反復法のみによる計算との二通りの場合
について、充分収束させたときの最初の係数A1の変動
を、最大項数Nの関数として表わしたものが図11であ
る。曲線aは、D―N反復法のみの場合の係数の変動を
あらわし、曲線bは、「多段階法+D―N反復法」によ
る係数の変動をあらわす。係数A1は、D―N反復法の
みによる場合よりも、「多段階法+D―N反復法」によ
る場合の方が格段に速く収束することがわかる。In the two cases of the above-described “multi-stage method + DN iteration method” and the calculation using only the DN iteration method, the variation of the first coefficient A 1 when sufficiently converging is expressed by FIG. 11 shows the function as a function of the maximum number N of terms. The curve a represents the variation of the coefficient in the case of only the DN iteration method, and the curve b represents the variation of the coefficient by the “multi-stage method + DN iteration method”. Factor A 1 is than with only D-N iterations, it can be seen that converges much faster towards the case of "multi-stage process + D-N iterative method".
【0110】さらに、上記の2方法を有効に利用する方
法として、次のような計算方法を考案した。すなわち、
D―N反復法のみによる電位分布をFurther, as a method of effectively utilizing the above two methods, the following calculation method has been devised. That is,
Potential distribution by only DN repetition method
【0111】[0111]
【数36】 [Equation 36]
【0112】「多段階法+D―N反復法」による電位分
布を展開し直した電位分布を、The potential distribution obtained by developing the potential distribution by the “multi-stage method + DN repetition method” is
【0113】[0113]
【数37】 (37)
【0114】とし、それらの電位分布の係数の線形結合
をFiとすると Fi=(1-k)Ei+kDi …(37) で求められる係数を代入した電位分布Let F i be a linear combination of the coefficients of the potential distribution. Potential distribution obtained by substituting the coefficient obtained by F i = (1-k) E i + kD i (37)
【0115】[0115]
【数38】 (38)
【0116】を、両者の線形結合とする。(37)式に
おいて、kは最大項数Nによらない一定の数で、0<k
<1であることが望ましい。kは、最大項数Nが変化し
ても、Fiの変動が最小になるように最小二乗法によっ
て決定する。この実施例の場合、この方法により決定さ
れたkは、k=0.89131633である。この方法によって決
定された係数Fiは、係数の真の値に極めて近いと推定
される。この結合法による係数Fiの最初の係数 の変
動は、図11において曲線cで表わしてある。Is a linear combination of the two. In the equation (37), k is a constant number not depending on the maximum number of terms N, and 0 <k
Desirably <1. k is determined by the least-squares method so that the variation of F i is minimized even when the maximum number of terms N changes. In the case of this embodiment, k determined by this method is k = 0.89131633. The coefficients F i which is determined by the method is estimated to be very close to the true value of the coefficient. The variation of the first coefficient of the coefficient F i by this combination method is represented by a curve c in FIG.
【0117】ところで、2次元場においては、このよう
な混合境界値問題は、複素数の多角形変換により、解析
解を得ることができる。すなわち、複素数領域Z(t)=x+
iyとW(t)=u+ivがパラメータtにより、楕円積分によっ
てIn a two-dimensional field, an analytical solution to such a mixed boundary value problem can be obtained by complex polygon conversion. That is, the complex number domain Z (t) = x +
iy and W (t) = u + iv are calculated by the parameter t and elliptic integral
【0118】[0118]
【数39】 [Equation 39]
【0119】のように関連づけられているとする。上式
で、PおよびQは複素数の定数、t1,t2,t3,t
4は実数であって、0<t1<t2、0<t3<t4
とする。(39)式の意味するところは、図12のZ
(t)平面のようにZ(t1),Z(-t 1),Z(t2),Z(-
t2)上の点をそれぞれ、A、A’、B、B’とすると、
実数tが-t1<t<t1の範囲内では、Z(t)は実数であ
るが、点t=±t1で直角に回転して、t1≦t≦t2 また
は-t2≦t≦-t1 の範囲で、y軸方向に平行に増加して
複素数となり、さらに点t=±t2で直角に回転して、そ
れぞれt2≦t またはt≦-t2の範囲で、x軸方向に減
少、又は増加するということである。Assume that they are related as follows. Above
Where P and Q are complex constants, t1, T2, T3, T
4Is a real number and 0 <t1<T2, 0 <t3<T4
And Equation (39) means that Z in FIG.
Like the (t) plane, Z (t1), Z (-t 1), Z (t2), Z (-
t2If the points above are A, A ', B, and B', respectively,
Real number t is -t1<T <t1Z (t) is a real number within the range
But the point t = ± t1Rotate at right angles with t1≦ t ≦ t2 Also
Is -t2≦ t ≦ -t1 In the range of
Becomes a complex number and the point t = ± t2And rotate at right angles
Each t2≤t or t≤-t2Within the range of x
Less or more.
【0120】Z(t),t1,t2を、それぞれW(t),t
3,t4 に置き換えると、同様なことが、図12のW
(t)平面においていえる。ここで、W(t3),W(-t3),
W(t 4),W(-t4)上の点をそれぞれ、C、C’、D、
D’とする。t2=t3のとき、Z(t)上の点B、B’
とW(t)上の点C、C’は写像関係にあり、Z(t)上の点
A、A’は、W(t)上の点C、C’の間の点W(t1)、W
(-t1)と写像関係にあり、W(t)上の点D、D’は,Z
(t)上の点B、B’の間の点Z(t4)、Z(-t4)と写像関
係にある。長方形CDD’C’内部の点W(t)=u+ivにお
いて、(40)式よりパラメータtを求めると、楕円積
分の逆関数である楕円関数により、Z (t), t1, T2To W (t) and t
3, T4 , The same is true for W in FIG.
This can be said in the (t) plane. Here, W (t3), W (-t3),
W (t 4), W (-t4) Are points C, C ', D,
D ′. t2= T3, The points B and B ′ on Z (t)
And points C and C 'on W (t) are in a mapping relationship, and points on Z (t)
A, A 'is a point W (t) between points C and C' on W (t).1), W
(-t1), And points D and D ′ on W (t) are Z
(t) a point Z (t) between points B and B '4), Z (-t4) And the mapping function
In charge. At a point W (t) = u + iv inside the rectangular CDD'C '
Then, when the parameter t is obtained from the equation (40), the elliptic product
By the elliptic function which is the inverse function of minute,
【0121】[0121]
【数40】 (Equation 40)
【0122】と表わされる。なお、パラメータtは、長
方形CDD’C’の境界上では実数であるが、長方形C
DD’C’の内部では複素数である。(41)式のパラ
メータtを、(39)式に代入することにより、W(t)上
の点W(t)=U+iVが、Z(t)上のどの位置に対応している
かがわかる。Are represented as follows. The parameter t is a real number on the boundary of the rectangle CDD'C ',
It is a complex number inside DD'C '. By substituting the parameter t in equation (41) into equation (39), it is possible to determine which position on point W (t) = U + iV on W (t) corresponds to Z (t). Understand.
【0123】ところで、電圧V(x,y)がZ(t)平面におい
て、Laplace方程式By the way, when the voltage V (x, y) is on the Z (t) plane, the Laplace equation
【0124】[0124]
【数41】 [Equation 41]
【0125】を満足しているとき、電圧V(u,v)は、W
(t)平面においてもLaplace方程式When the above condition is satisfied, the voltage V (u, v) becomes W
Laplace equation even in the (t) plane
【0126】[0126]
【数42】 (Equation 42)
【0127】を満足していることが知られている。It is known that the above is satisfied.
【0128】そこで、領域Z(t)において、長方形AB
B’A’の一辺AA’で一様にVMボルト、辺BB’で
一様に0ボルトの境界電圧がかかっているとき、点Z
(t)上での電圧は、Z(t)の虚数部分をIm(Z(t))と表わ
し、T=Im(Z(t2))とすると、Therefore, in the area Z (t), the rectangle AB
Uniformly V M volts' side AA of 'B'A, when taking a boundary voltage uniformly 0 volts sides BB', the point Z
The voltage on (t) represents the imaginary part of Z (t) as Im (Z (t)), and T = Im (Z (t 2 )).
【0129】[0129]
【数43】 [Equation 43]
【0130】と表わすことができる。領域Z(t)上の境
界線AA’およびBB’がこのようにDirichlet条件を
満足しているとき、境界線ABおよびA’B’は図12
のZ(t)平面より明らかなように、Neumann条件を満足し
ている。境界線AA’はW(t)上で、W(t1)とW(-t1)
の間の境界線に写像されてDirichlet条件を満足し、境
界線ABおよびA’B’は、それぞれ、W(t)上で、W
(t1)とCの間の境界線と、W(-t1)とC’の間の境界
線に写像されてNeumann条件を満足するので、一境界線
CC’上でDirichlet条件とNeumann条件が混在する混合
境界値問題が、解析的に高精度で解けることになる。つ
まり、(41)式、(39)式、(44)式の順に用い
ることにより、W(t)=u+ivにおける電位量を求めことが
できる。Can be expressed as follows. When the boundaries AA 'and BB' on the area Z (t) satisfy the Dirichlet condition in this way, the boundaries AB and A'B '
As is clear from the Z (t) plane, the Neumann condition is satisfied. The boundary line AA ′ is on W (t), and W (t 1 ) and W (−t 1 )
, Satisfying the Dirichlet condition, and the boundaries AB and A′B ′ are represented by W (t) on W (t), respectively.
The boundary between (t 1 ) and C and the boundary between W (−t 1 ) and C ′ are mapped to satisfy the Neumann condition. Therefore, the Dirichlet condition and Neumann condition on one boundary line CC ′ Can be solved with high accuracy analytically. That is, by using the equations (41), (39), and (44) in this order, the potential amount at W (t) = u + iv can be obtained.
【0131】このように複素数により求めた長方形の内
部電位分布と、(37)式においてkをゼロから1まで
変動させたときに(38)式で求めた内部電位分布との
差の、2乗平均の平方根の値(これをVRMSと呼ぶこ
とにする)の変動について、最大項数Nが100から500ま
での場合について示したのが図13である。図13によ
り明らかなように、k=0.9 付近が2乗平均の平方根の
値が最も小さく、この値のとき(37)式における係数
は真の値に最も近いといえる。The square of the difference between the rectangular internal potential distribution obtained by the complex number and the internal potential distribution obtained by the equation (38) when k is varied from zero to 1 in the equation (37) FIG. 13 shows the variation of the value of the square root of the average (this will be referred to as VRMS ) when the maximum number of terms N is from 100 to 500. As is clear from FIG. 13, the value of the root mean square is the smallest around k = 0.9, and at this value, the coefficient in equation (37) can be said to be closest to the true value.
【0132】また、図14は、k=0のとき(すなわ
ち、D−N反復法のみのとき)のVR MSと、k=1の
とき(すなわち、「多段階法+D―N反復法」のみのと
き)のVRMSと、k=0.9のときのVRMSについ
て、最大項数Nを100から2000まで変動させたときの変
化の様子を示してある。k=0やk=1においては、最
大項数Nが大きくなるにつれVRMSは小さくなってい
くが、k=0.9においてVR MSは、最大項数Nの変化
によらず、低い量で安定していることが分かる。すなわ
ち、k=0.9の場合、最大項数Nが小さくても、真の解
に極めて近いことが分かる。[0132] Further, FIG. 14, when k = 0 (i.e., when only D-N iteration) and V R MS of, when k = 1 (i.e., "multi-step process + D-N iteration" and V RMS only when) the V RMS when the k = 0.9, is shown how the change in the time of varying the maximum number of terms N from 100 to 2000. In k = 0 and k = 1, V RMS as the maximum number of terms N increases becomes smaller but, V R MS in k = 0.9 is regardless of a change in the maximum number of terms N, stable at lower amounts You can see that it is doing. That is, when k = 0.9, it can be seen that even if the maximum number of terms N is small, it is very close to the true solution.
【0133】ところが、3次元問題の場合、「多段階法
+D―N反復法」の第一段階の、無限遠でゼロであるよ
うな解析解を求めることは、ほぼ不可能であるので、こ
の方法で係数Aijの値を求めることはできない。ま
た、3次元の場合、複素数により解析的に求めることも
不可能である。そこで、係数Aijを最大項数Nの関数
としてfittingさせて、N→∞の場合の収束値を求める
ことにより、真の値を求める方法を開発した。その方法
を以下に説明する。However, in the case of a three-dimensional problem, it is almost impossible to find an analytical solution that is zero at infinity in the first stage of the “multi-stage method + DN iteration”. The value of the coefficient A ij cannot be determined by the method. Further, in the case of three dimensions, it is impossible to analytically obtain a complex number. Therefore, a method of finding a true value by fitting the coefficient A ij as a function of the maximum number of terms N and finding a convergence value in the case of N → ∞ has been developed. The method will be described below.
【0134】先ず係数Aijのあるものを、最大項数N
の関数として、 C(N)=C0+C1Nα …(45) と置く。C0、C1 は、最大項数Nに依存しない定数
である。すると、First, the one having the coefficient A ij is converted to the maximum number of terms N
C (N) = C 0 + C 1 N α (45) C 0 and C 1 are constants independent of the maximum number of terms N. Then
【0135】[0135]
【数44】 [Equation 44]
【0136】と置いて、And put
【0137】[0137]
【数45】 [Equation 45]
【0138】前記の3次元問題の実施例において、
d1、d2を差分近似して(49)式により指数αを求
めると、数値計算によりα≒-0.8となる。In the above embodiment of the three-dimensional problem,
When d 1 and d 2 are approximated by difference and the index α is obtained by the equation (49), α ≒ −0.8 is obtained by numerical calculation.
【0139】また、指数αを求めるもう一つの方法を示
す。最大項数がN1,N2,N3のとき、D−N反復法
で計算された係数Aijの値が、それぞれD1,D2,
D3であるとすると、(45)式でfittingする場合、Another method for obtaining the index α will be described. When the maximum number of terms is N 1 , N 2 , N 3 , the values of the coefficients A ij calculated by the D-N iterative method are D 1 , D 2 ,
When a D 3, when the fitting (45) below,
【0140】[0140]
【数46】 [Equation 46]
【0141】となるが、 R=(D3−D1)/(D2−D1) …(53) および、N2=N1r2,N3=N1r3 とおくと、R = (D 3 −D 1 ) / (D 2 −D 1 ) (53) and N 2 = N 1 r 2 , N 3 = N 1 r 3
【0142】[0142]
【数47】 [Equation 47]
【0143】となり、Rは未知数が指数αのみになるの
で、 f(α)=R(r2 α−1)−(r3 α−1) …(55) とおくと、 f(α)=0 …(56) のとき、(54)式を満たす。(56)式は、指数αに
関する非線型方程式なので、ニュートン法で解いて求め
る。すなわち、指数αの第i近似値をαiとすると、第
(i+1)近似値αi+1は、 αi+1=αi−f(αi)/f'(αi) …(57) で与えられる。(57)式で、逐次近似することによ
り、指数αを求める。ここで、[0143] next, since R is unknown is only the exponent α, f (α) = R (r 2 α -1) - putting the (r 3 α -1) ... ( 55), f (α) = 0 (56), the expression (54) is satisfied. Equation (56) is a non-linear equation related to the index α, and is obtained by solving it by the Newton method. That is, if the i-th approximate value of the index α is α i ,
(i + 1) The approximate value α i + 1 is given by α i + 1 = α i −f (α i ) / f ′ (α i ) (57) The index α is obtained by successive approximation using Expression (57). here,
【0144】[0144]
【数48】 [Equation 48]
【0145】である。この場合も、前記の3次元問題の
実施例において数値計算したところ、α≒-0.8となっ
た。Is as follows. Also in this case, when numerical calculation was performed in the embodiment of the three-dimensional problem, α ≒ −0.8 was obtained.
【0146】これで(45)式のように、大よその関数
の見当がつくが、最大項数Nによって、指数αは若干変
動するので、もっと厳密なfittingが必要となる。そこ
で、(45)式の代わりに、冪級数列As a result, as shown in equation (45), the approximate function can be roughly estimated. However, since the index α slightly varies depending on the maximum number N of terms, more strict fitting is required. Therefore, instead of equation (45), a power series
【0147】[0147]
【数49】 [Equation 49]
【0148】でfittingする。定数Ci(i=0〜M)
は、最小二乗法により求める。α≦0より、C(N)の極
限値は収束し、Fitting is performed. Constant Ci (i = 0 to M)
Is determined by the least squares method. From α ≦ 0, the limit of C (N) converges,
【0149】[0149]
【数50】 [Equation 50]
【0150】となる。(60)式のC0が、最大項数N
をパラメータとした関数C(N)の漸近線の値であり、こ
れが係数の真の値であると推定される。Is obtained. C 0 in equation (60) is the maximum number of terms N
Is the value of the asymptote of the function C (N), which is the parameter, and it is estimated that this is the true value of the coefficient.
【0151】図15は前記の2次元問題の実施例におい
て、(59)式でM=5とし、指数αを−0.5から−1.5
まで変動させた場合における、(35)式のD−N反復
法における係数Eiを修正したときの、VRMSの変動
を示したものである。図15により明らかなように、α
=-0.8 付近でVRMSが最小になる。従って、(5
9)式によってfittingする場合、α=-0.8 とすると、
真の解に極めて近くなることが分かる。また、3次元問
題と同様に、2次元問題においても、(49)式また
は、(54)式から(58)式で計算された指数αは、
α≒-0.8であり、図15の結果とほぼ一致することが分
かる。FIG. 15 shows an embodiment of the two-dimensional problem described above, where M = 5 in equation (59) and the exponent α is -0.5 to -1.5.
In the case of varied up, shows a variation of the V RMS when modifying the coefficients E i in (35) of the D-N iteration. As is clear from FIG.
The V RMS becomes minimum around = −0.8. Therefore, (5
9) When fitting according to the formula, if α = -0.8,
It turns out that it is very close to the true solution. Similarly to the three-dimensional problem, in the two-dimensional problem, the exponent α calculated by the expression (49) or the expression (54) by the expression (58) is
α ≒ −0.8, which is almost the same as the result of FIG.
【0152】なお、図15においては、全ての係数Ei
に対して指数αを一律に定めて計算したが、(49)式
や、(54)式から(58)式の方法で個別に係数Ei
の指数αの値を計算すると、若干の相違がある。しか
し、その方法で個別に指数αの値を求めてから、(59)
式のような冪級数展開をしてfittingした場合のVRM
Sよりも、一律に指数αを定めて計算したVRMSの最
小値の方が小さいことが分かった。これは係数Ei(i
>1)の絶対値が係数E1等に比べて小さい場合、(4
9)式または(54)式から(58)式で計算すると、指数
αの計算値にかなり誤差が含まれるためと考えられる。In FIG. 15, all the coefficients E i
The index α is uniformly determined and calculated, but the coefficients E i are individually calculated by the method of equation (49) or the equations (54) to (58).
When calculating the value of the index α, there is a slight difference. However, after individually obtaining the value of the index α by the method, (59)
V RM in the case of fitting in the power series expansion, such as the formula
It was found that the minimum value of V RMS calculated by uniformly determining the index α was smaller than S. This is the coefficient E i (i
> If the absolute value of 1) is smaller than the coefficient E 1 etc., (4
It is considered that when the calculation is performed by the expression (58) from the expression 9) or the expression (54), the calculated value of the index α includes a considerable error.
【0153】また前記の3次元問題の実施例について、
α=-0.8 として、係数A11を(59)式のような冪
級数展開して最小二乗法で求めると、A11=1117.5288
4となり、これを図5において、漸近線b表わしてあ
る。図で見ると明らかなように、最大項数Nが1000でも
漸近線との差はかなりあり、前記のような最大項数Nが
無限遠での係数を推定する方法により、初めて最大項数
で制約される精度以上の高精度が得られ、真の解に到達
することができる。Further, regarding the embodiment of the above three-dimensional problem,
Assuming that α = −0.8, the coefficient A 11 is expanded by a power series as shown in Expression (59) and is obtained by the least squares method. A 11 = 1117.5288
4, which is indicated by the asymptote b in FIG. As is clear from the figure, even when the maximum number of terms N is 1000, there is a considerable difference from the asymptote. Higher accuracy than the restricted accuracy can be obtained, and a true solution can be reached.
【0154】なお、以上の実施の形態、実施例において
は、静電ポテンシャル場においてLaplace方程式を満足
する例を示したが、磁場ポテンシャル場においてLaplac
e方程式を満足する問題、熱エネルギー場においてLapla
ce方程式を満足する問題においても、このような混合境
界値問題を、同様な方法で解くことが可能であり、磁場
の解析や熱伝導問題の解析が可能となる。In the above-described embodiments and examples, an example in which the Laplace equation is satisfied in the electrostatic potential field has been described.
Lapla in thermal energy field
Even for a problem that satisfies the ce equation, such a mixed boundary value problem can be solved by a similar method, and analysis of a magnetic field and analysis of a heat conduction problem can be performed.
【0155】[0155]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
従来困難であった、ラプラス方程式を満足し、一境界境
域でDirichlet条件とNeumann条件が混在する混合境界値
を有するポテンシャル問題の解を、連立方程式を解くこ
となく、容易に求めることができる。特に最大項数が無
限遠での係数を推定する方法により、最大項数により制
約される以上の精度でこの問題を解くことが可能とな
る。As described above, according to the present invention,
A solution to a potential problem that satisfies the Laplace equation, which has been difficult in the past, and has a mixed boundary value in which a Dirichlet condition and a Neumann condition coexist in one boundary region can be easily obtained without solving a simultaneous equation. In particular, the method of estimating the coefficient at infinity at the maximum number of terms makes it possible to solve this problem with an accuracy higher than that restricted by the maximum number of terms.
【図1】解くべき3次元の混合境界値問題の境界条件を
示す図である。FIG. 1 is a diagram showing boundary conditions of a three-dimensional mixed boundary value problem to be solved.
【図2】D−N反復法のアルゴリズムを示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating an algorithm of a DN iteration method.
【図3】本発明の実施例における面ABCDでの等電位
線を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing equipotential lines on a surface ABCD in the example of the present invention.
【図4】本発明の実施例におけるy=0での断面での等
電位線を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing equipotential lines in a cross section at y = 0 according to the embodiment of the present invention.
【図5】本発明の実施例において、D−N反復法で計算
された係数A11と最大項数Nの関係を示すグラフであ
る。In the embodiment of the present invention; FIG is a graph showing the relationship between the D-N iteration at the calculated coefficients A 11 and the maximum number of terms N.
【図6】「多段階法+D―N反復法」のアルゴリズムを
示す図である。FIG. 6 is a diagram showing an algorithm of a “multi-stage method + DN iteration method”.
【図7】「多段階法+D―N反復法」の第1段階で計算
された電位分布を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a potential distribution calculated in a first step of the “multi-step method + DN repetition method”.
【図8】「多段階法+D―N反復法」の第1段階で計算
された電位分布と第2段階で計算された電位分布の和を
示す図である。FIG. 8 is a diagram illustrating the sum of the potential distribution calculated in the first step and the potential distribution calculated in the second step of the “multi-step method + DN repetition method”.
【図9】「多段階法+D―N反復法」の第1段階で計算
された電位分布、第2段階で計算された電位分布、第3
段階で計算された電位分布の和を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a potential distribution calculated in the first step, a potential distribution calculated in the second step, and a third step of the “multi-step method + DN repetition method”.
It is a figure showing the sum of the potential distribution calculated at the stage.
【図10】「多段階法+D―N反復法」の第1段階から
第4段階までに計算された電位分布の和を示す図であ
る。FIG. 10 is a diagram showing the sum of potential distributions calculated from the first stage to the fourth stage of the “multi-stage method + DN repetition method”.
【図11】2次元問題において、D−N反復法で計算さ
れた係数A11と、「多段階法+D―N反復法」で計算
された係数A11と、両者の線形結合により計算された
係数A11と、最大項数Nの関係を表わすグラフであ
る。In [11] two-dimensional problem, the coefficient A 11 calculated in D-N iteration, the coefficient A 11 calculated in "multistage process + D-N iteration", is calculated by linear combination of both a coefficient a 11, is a graph representing the relationship between the maximum number of terms N.
【図12】複素数の写像変換により2次元混合境界値問
題を解く方法の説明図である。FIG. 12 is an explanatory diagram of a method of solving a two-dimensional mixed boundary value problem by a complex number mapping transformation.
【図13】複素数の写像変換により求めた解析解と、D
−N反復法と「多段階法+D―N反復法」との線形結合
により求めた解との差の、2乗平均の平方根の変動を、
パラメータkの関数として示した図である。FIG. 13 shows an analytical solution obtained by mapping conversion of a complex number, and D
The variation of the root mean square of the difference between the solution obtained by the linear combination of the -N iteration method and the "multi-stage method + DN iteration method" is
FIG. 6 is a diagram showing a function of a parameter k.
【図14】複素数の写像変換により求めた解析解と、D
−N反復法と「多段階法+D―N反復法」との線形結合
により求めた解との差の、2乗平均の平方根を示す図で
あって、パラメータがk=0と、k=1と、k=0.9の
場合について、最大項数を変動させたときの図である。FIG. 14 shows an analytical solution obtained by mapping conversion of a complex number and D
FIG. 9 is a diagram showing a root mean square of a difference between a solution obtained by a linear combination of a −N iteration method and a “multi-stage method + DN iteration method”, where parameters are k = 0 and k = 1. FIG. 9 is a diagram when the maximum number of terms is varied in the case of k = 0.9.
【図15】複素数の写像変換により求めた解析解と、D
−N反復法との差の、二乗平均の平方根について、指数
αを変動させた場合の図である。FIG. 15 shows an analytical solution obtained by a complex number mapping transformation and D
It is a figure at the time of changing an index (alpha) about the square root of the root mean square of the difference with the -N iterative method.
Claims (7)
Dirichlet条件とNeumann条件が混在する混合境界値を有
するポテンシャル問題の解を求める方法であって、Diri
chlet条件とNeumann条件を交互に反復して解くことを特
徴とするラプラス方程式を満足するポテンシャル問題の
解析方法。1. Satisfies the Laplace equation, and in one boundary region
A method for solving potential problems with mixed boundary values in which Dirichlet conditions and Neumann conditions coexist.
A method of analyzing a potential problem that satisfies the Laplace equation, characterized by alternately and repeatedly solving the chlet condition and the Neumann condition.
するポテンシャル問題の解析方法を使用して解を求め、
反復計算を打ち切ったときの、Dirichlet条件を満足す
る解と、Neumann条件を満足する解の相加平均を最終解
とすることを特徴とするラプラス方程式を満足するポテ
ンシャル問題の解析方法。2. A solution is obtained using the method for analyzing a potential problem satisfying the Laplace equation according to claim 1,
A method of analyzing a potential problem that satisfies the Laplace equation, characterized in that an arithmetic mean of a solution that satisfies the Dirichlet condition and a solution that satisfies the Neumann condition is the final solution when the iterative calculation is terminated.
するポテンシャル問題の解析方法を使用して解を求め、
その解を構成する級数の最大項数が無限大の場合の係数
の値を、有限の最大項数の場合の係数から、最小2乗法
により推定し、推定された係数を使用して、最終解を求
めることを特徴とするラプラス方程式を満足するポテン
シャル問題の解析方法。3. A solution is obtained using the method for analyzing a potential problem satisfying the Laplace equation according to claim 1,
The coefficient value when the maximum number of terms of the series constituting the solution is infinite is estimated by the least square method from the coefficient when the maximum number of terms is finite, and the final solution is calculated using the estimated coefficients. A method for analyzing a potential problem that satisfies the Laplace equation, characterized by finding.
満足し、一境界境域でDirichlet条件とNeumann条件が混
在する混合境界値を有するポテンシャル問題の解を求め
る方法であって、無限遠でゼロポテンシャルの解析解を
第一段階として、第二段階および第三段階でDirichlet
条件のみの境界条件の線上でラプラス方程式を満足する
ように解析解を重ね合わせた後、それに補正項を加えた
ものについて、請求項1から請求項3のうちいずれか1
項に記載の方法により解を求めることを特徴とするラプ
ラス方程式を満足するポテンシャル問題の解析方法。4. A method for finding a solution to a potential problem that satisfies the Laplace equation in a two-dimensional space and has a mixed boundary value in which a Dirichlet condition and a Neumann condition are mixed in one boundary region. Analytical solution as the first step, and in the second and third steps Dirichlet
4. The method according to claim 1, wherein the analytical solution is superimposed on the line of the boundary condition including only the condition so as to satisfy the Laplace equation, and a correction term is added thereto.
A method for analyzing a potential problem that satisfies the Laplace equation, characterized in that a solution is obtained by the method described in the section.
満足し、一境界境域でDirichlet条件とNeumann条件が混
在する混合境界値を有するポテンシャル問題の解を求め
る方法であって、請求項1又は請求項2に記載の方法に
よって求めた解と、請求項4に記載の方法によって求め
た解を線形結合させ、その線形結合の係数を、その解を
構成する級数の最大項数が変化した場合に、その級数の
定数項の変動が最小となるように、最小2乗法によって
決定し、決定された線形結合の係数によって線形結合さ
れた、請求項1又は請求項2に記載の方法によって求め
た解と、請求項4に記載の方法によって求めた解の結合
を最終解とすることを特徴とするラプラス方程式を満足
するポテンシャル問題の解析方法。5. A method for solving a potential problem that satisfies the Laplace equation in a two-dimensional space and has a mixed boundary value in which a Dirichlet condition and a Neumann condition are mixed in one boundary region. 2 and the solution obtained by the method of claim 4 are linearly combined, and the coefficient of the linear combination is changed when the maximum number of terms of the series constituting the solution changes. 3. A solution determined by the method according to claim 1 or 2, which is determined by a least square method so that a variation of a constant term of the series is minimized, and linearly combined by the determined coefficient of linear combination. A method for analyzing a potential problem that satisfies the Laplace equation, wherein a combination of solutions obtained by the method according to claim 4 is a final solution.
テンシャル問題であることを特徴とする請求項1から請
求項5のうちいずれか1項に記載のラプラス方程式を満
足するポテンシャル問題の解析方法。6. The method for analyzing a potential problem satisfying the Laplace equation according to claim 1, wherein the potential problem is a potential problem in an electromagnetic field.
おけるポテンシャル問題であることを特徴とする請求項
1から請求項5のうちいずれか1項に記載のラプラス方
程式を満足するポテンシャル問題の解析方法。7. The method according to claim 1, wherein the potential problem is a potential problem in a thermal energy field.
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---|---|---|---|
JP2001174995A JP2002366537A (en) | 2001-06-11 | 2001-06-11 | Method for analyzing potential problem to satisfy laplace's equation |
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WO2008123432A1 (en) | 2007-03-30 | 2008-10-16 | Kyoto University | Device and method for acquiring a field by measurement |
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- 2001-06-11 JP JP2001174995A patent/JP2002366537A/en active Pending
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