The behavior of physical systems is typically modeled using differential equations which are too complex to solve analytically. In practical problems, these equations are discretized on a computational domain, and numerical solutions are computed. A numerical scheme is called convergent, if in the limit of infinitesimal discretization, the bounds on the discretization error is also infinitesimally small. The approximate solution converges to the "true solution" in this limit. The Lax equivalence theorem enables a proof of convergence given consistency and stability of the method. In this work, we formally prove the Lax equivalence theorem using the Coq Proof Assistant. We assume a continuous linear differential operator between complete normed spaces, and define an equivalent mapping in the discretized space. Given that the numerical method is consistent (i.e., the discretization error tends to zero as the discretization step tends to zero), and the method is stable (i.e., the error is uniformly bounded), we formally prove that the approximate solution converges to the true solution. We then demonstrate convergence of the difference scheme on an example problem by proving both its consistency and stability, and then applying the Lax equivalence theorem. In order to prove consistency, we use the Taylor-Lagrange theorem by formally showing that the discretization error is bounded above by the nth power of the discretization step, where n is the order of the truncated Taylor polynomial.


翻译:物理系统的行为典型地以不同方程式为模型,这些方程式过于复杂,无法分析解决。在实际问题中,这些方程式在计算域上是分解的,并且计算数字解决方案。一个数字方案被称为趋同器,如果在极小离散的限度内,离散错误的界限也是极小的。接近的解决方案在此限度内与“真正的解决方案”相融合。拉克斯等值的理论可以证明方法的一致性和稳定性。在这项工作中,我们使用 Coq 校准助理正式证明Lax等同方程式。我们假设一个完整的规范空间之间的连续线性线性差异操作器,并在离散空间内定义一个等同的映像。鉴于数字方法是一致的(即离散步骤趋向为零,离散误差误差误差误差为零),方法是稳定的(即误差是一致的),我们正式证明,近似的解决方案与真正的解决办法是一致的。我们随后通过证明一个示例方案在完全的规范空间之间,我们假定其一致性和稳定性,然后确定在离散的离散的轨道上显示稳定的顺序,然后通过正式显示我们显示方向的定的顺序。

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