伽辽金法

伽辽金方法（Galerkin method）是由俄罗斯数学家鲍里斯·格里戈里耶维奇·伽辽金（俄文：Борис Григорьевич Галёркин 英文：Boris Galerkin）发明的一种数值分析方法。应用这种方法可以将求解微分方程问题（通过方程所对应泛函的变分原理）简化成为线性方程组的求解问题。而一个高维（多变量）的线性方程组又可以通过线性代数方法简化，从而达到求解微分方程的目的。

伽辽金法采用微分方程对应的弱形式，其原理为通过选取有限多项试函数（又称基函数或形函数），将它们叠加，再要求结果在求解域内及边界上的加权积分（权函数为试函数本身）满足原方程，便可以得到一组易于求解的线性代数方程，且自然边界条件能够自动满足。

必须强调指出的是，作为加权余量法的一种试函数选取形式，伽辽金法所得到的只是在原求解域内的一个近似解（仅仅是加权平均满足原方程，并非在每个点上都满足）。

因为伽辽金方法的妙处在于研究它们的抽象方法，所以我们首先给出它们的抽象推导。最后我们再给出应用的例子。

常常用到伽辽金法的领域有：

• 有限元方法
• Krylov空间法

通过抽象问题的简介

一个问题的弱形式

我们通过一个抽象问题来引入伽辽金方法，将问题表示成在一个希尔伯特空间$V$上的弱形式，也就是，求解$u\in V$使得对于所有$v\in V$

$a(u,v)=f(v)$

成立。这里，$a(.,.)$是一个双线性型表达式,即$a(u,v)=u^{T}av=f(v)$，$f$是一个$V$上的线性形表达式。

伽辽金离散化

选取一个n 维子空间$V_{n}\subset V$，然后求解问题在子空间中的投影：求$u_{n}\in V_{n}$使得对于所有$v_{n}\in V_{n}$

$a(u_{n},v_{n})=f(v_{n}).$

我们称这个方程为伽辽金方程。注意方程形式没有改变，但是求解域改变了。

伽辽金正交性

这是使得伽辽金方法非常有效的关键性质。因为$V_{n}\subset V$，我们可以取$v_{n}$为原方程的一个试矢量。带入并相减，便得到误差的伽辽金正交性关系

$a(e_{n},v_{n})=a(u,v_{n})-a(u_{n},v_{n})=f(v_{n})-f(v_{n})=0.$

这里$e_{n}=u-u_{n}$是真实解$u$和伽辽金方程的解$u_{h}$之间的误差。

矩阵形式

因为伽辽金方法的目标是将问题简化为线性方程组，我们来构造它的矩阵形式，以便利用计算机进行数值求解。

令$e_{1},e_{2},\ldots ,e_{n}$为$V_{n}$空间中的一组基。则显然依次选取这些基矢量作为伽辽金方程的试矢量是充分的，也即：求解$u_{n}\in V_{n}$使得

$a(u_{n},e_{i})=f(e_{i})\quad i=1,\ldots ,n.$

用上述基矢量表示出$u_{n}$：$u_{n}=\sum _{j=1}^{n}u_{j}e_{j}$，将其代入上面的方程得到

$a(\sum u_{j}e_{j},e_{i})=\sum u_{j}a(e_{j},e_{i})=f(e_{i})\quad i=1,\ldots ,n.$

这样我们就得到了上面这组$Au=f$型的线性方程组，式中

$a_{ij}=a(e_{j},e_{i}),\quad f_{i}=f(e_{i}).$

矩阵的对称性

由于矩阵项的定义，伽辽金方程的系数矩阵是对称矩阵的充要条件是双线性型表达式$a(.,.)$是对称的。

伽辽金方法的进一步分析

这里，我们只讨论对称双线性型，也即

$a(u,v)=a(v,u).$

虽然伽辽金方法并不要求一定对称，但这一限制使得标准理论的应用变得简单的多。而且，非对称情形的分析可能需要用到彼得罗夫－伽辽金方法。

下面我们分两步分析上述方法。第一步，论证伽辽金方程在哈达玛意义下是适定的，因此存在唯一解。第二步，讨论伽辽金解$u_{n}$的误差大小。

分析过程主要依据双线性型的两个性质：

• 有界性：对于所有$u,v\in V$，下式成立

  $a(u,v)\leq C\|u\|\,\|v\|$

• 椭圆性：对于所有$u\in V$，下式成立

  $a(u,u)\geq c\|u\|^{2}$

根据Lax-Milgram定理（参看弱形式），这两条性质保证了原问题的弱形式的适定性。下面章节中的所有范数都是使得上面的不等式成立的范数（这些范数通常称为能量范数）。

伽辽金方程的适定性

因为$V_{n}\subset V$，双线性型的有界性和椭圆性对于$V_{n}$也成立。因此，伽辽金问题的适定性实际上继承自其原问题的适定性。

准最佳近似（Céa引理）

真实解和伽辽金解之间的误差$e_{n}=u-u_{n}$有如下估计

$\|e_{n}\|\leq {\frac {C}{c}}\inf _{v_{n}\in V_{n}}\|u-v_{n}\|.$

上式翻译成文字语言就是：伽辽金解$u_{n}$的误差（和真实解$u$的差）能控制在$V_{h}$中最优解矢量的误差的$C/c$倍以下（在量级上）。特别有用的是，从此对误差的估计可以只在空间$V_{n}$中进行考虑，而完全不用回到求解的方程。

证明

因为证明非常简单，并且是各种伽辽金法的基本原理依据，因此简单介绍如下： 根据双线性型的椭圆性和有界性（下式中的两个不等号），以及伽辽金法的正交性（下式中间的等号），我们对于任意$v_{n}\in V_{n}$有：

$c\|e_{n}\|^{2}\leq a(e_{n},e_{n})=a(e_{n},u-v_{n})\leq C\|e_{n}\|\,\|u-v_{n}\|.$

全式除以$c\|e_{n}\|$并对所有可能的$v_{h}$取下确界得到该引理。

例子

1. 在有限元法中应用泊松方程
2. 应用到共轭梯度法

文献

通常，伽辽金法不是文献的单独主题。它们和它们的应用同时讨论。 因此，读者可以参考有限元方法的教科书。

譬如

• P. G. Ciarlet: The Finite Element Method for Elliptic Problems, North-Holland, 1978

在这个框架下的Krylov空间法的分析可以在这里找到：

• Y. Saad: Iterative Methods for Sparse Linear Systems, 2nd edition, SIAM, 2003

外部链接

• 伽辽金法（英文）（Galerkin's Method）
• MathWorld对伽辽金法的介绍（页面存档备份，存于互联网档案馆）