×

二维非线性时空分数阶薛定谔方程快速二阶时间步长数值方法的收敛性分析。 (英语) Zbl 1531.65132号

摘要:在本文中,我们考虑由分数阶拉普拉斯算子描述的二维非线性时空分数阶薛定谔方程。提出了时间方向上的二阶分数后向差分公式和空间方向上的傅里叶谱方法来对模型进行数值求解。在数值实现中,采用了一种基于梯形规则全局一致逼近的实线积分快速方法,以减少内存需求和计算成本。利用Dixon和McKee提出的广义离散Gronwall不等式和时空误差分裂参数,在不施加Courant-Freedrichs-Lewy(CFL)条件的情况下,简单地证明了快速时间步长数值方法的收敛性。最后,给出了一些数值结果以支持理论分析。
{©2022威利期刊有限责任公司}

MSC公司:

6500万06 含偏微分方程初值和初边值问题的有限差分方法
65号35 偏微分方程边值问题的谱、配置及相关方法
65T50型 离散和快速傅里叶变换的数值方法
65个M12 含偏微分方程初值和初边值问题数值方法的稳定性和收敛性
65岁15岁 涉及PDE的初值和初边值问题的误差界
55年第35季度 NLS方程(非线性薛定谔方程)
2011年第35季度 依赖时间的薛定谔方程和狄拉克方程
26A33飞机 分数导数和积分
35升11 分数阶偏微分方程
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用
全文: DOI程序

参考文献:

[1] M.Ainsworth和Z.P.Mao,分数阶Cahn‐Hilliard方程的分析和近似,SIAM J.Numer。分析55(2017),1689-1718·Zbl 1369.65124号
[2] T.S.Basu和H.Wang,空间分数阶扩散方程的快速二阶有限差分方法,国际期刊编号。分析。第9版(2012年),658-666·Zbl 1279.65095号
[3] C.Canuto、M.Y.Hussaini、A.Quarteroni和T.A.Zang,光谱方法,施普林格-弗拉格,德国,2006年·Zbl 1093.76002号
[4] E.Cuesta、C.Lubich和C.Palencia,分数阶扩散波方程的卷积求积时间离散化,数学。计算75(2006),673-696·兹比尔1090.65147
[5] K.Diethelm,“利用Caputo型微分算子进行面向应用的阐述”,《分数阶微分方程的分析》,《数学讲义》,第2004卷,施普林格出版社,柏林,2010年·Zbl 1215.34001号
[6] J.Dixon和S.McKee,弱奇异离散Grönwall不等式,Z.Angew。数学。机械66(1986),535-544·Zbl 0627.65136号
[7] J.P.Dong和M.Y.Xu,具有时间无关电位的时空分数阶薛定谔方程,J.Math。分析。申请344(2008),1005-1017·Zbl 1140.81357号
[8] S.Duo和Y.Zhang,计算无限势阱中分数阶薛定谔方程的基态和第一激发态,Commun。计算。Phys.18(2015),321-350·Zbl 1388.65051号
[9] S.W.Duo和Y.Z.Zhang,求解分数阶非线性薛定谔方程的质量守恒傅立叶谱方法,Comput。数学。申请71(2016),2257-2271·Zbl 1443.65242号
[10] V.J.Ervin、N.Heuer和J.P.Roop,时间相关、非线性、空间分数阶扩散方程的数值近似,SIAM J.Numer。分析45(2007),572-591·Zbl 1141.65089号
[11] W.P.Fan和H.T.Qi,不规则凸域上二维非线性时空分数阶Schrödinger方程的有效有限元方法,应用。数学。Lett.86(2018),103-110·Zbl 1412.65140号
[12] Z.W.Fang、H.W.Sun和H.Wang,变阶Caputo分数阶导数的快速方法及其在时间分数阶扩散方程中的应用,计算。数学。申请80(2020),第5期,1443-1458·Zbl 1447.65022号
[13] M.F.Fei、N.Wang、C.M.Huang和X.H.Ma,非线性时空分数阶Schrödinger方程的二阶隐式差分格式,应用。数字。数学153(2020),399-411·Zbl 1436.65099号
[14] J.Fröhlich、B.L.G.Jonsson和E.Lenzmann,玻色子恒星为孤波,Commun。数学。《物理学》274(2007),1-30·Zbl 1126.35064号
[15] L.Guo、F.H.Zeng、I.Turner、K.Burrage和G.E.Karniadakis,《调和分数阶微积分的高效多步方法:算法和模拟》,SIAM J.Sci。计算41(2019),A2510-A2535·Zbl 07099350号
[16] X.Guo和M.Xu,分数阶薛定谔方程的一些物理应用,J.Math。Phys.47(2006),082104·Zbl 1112.81028号
[17] M.S.Hashemia和A.Akülb,时空非线性分数阶Schrödinger方程的孤立波解:两种分析方法,J.Compute。申请。数学339(2018),147-160·Zbl 1392.35286号
[18] A.S.Hendy和M.A.Zaky,耦合非线性时空分数阶Schrödinger方程L1‐Galerkin谱格式的全局一致性分析,应用。数字。数学156(2020),276-302·兹比尔1442.65372
[19] M.A.E.Herzallah和K.A.Gepreel,时空分数阶三次非线性薛定谔方程的近似解,应用。数学。模型36(2012),5678-5685·Zbl 1254.65115号
[20] 蒋S.,张J.,张Q.,张Z.,卡普托分数阶导数的快速计算及其在分数阶扩散方程中的应用,Commun。计算。Phys.21(2017),650-678·Zbl 1488.65247号
[21] X.Y.Jiang,带非局部项的时空分数阶Schrödinger型方程,Eur.Phys。J.:规格Top.193(2011),61-70。
[22] C.Klein、C.Sparber和P.Markowich,分数阶非线性薛定谔方程的数值研究,Proc。数学。物理学。《工程科学》470(2014),20140364·Zbl 1372.65284号
[23] N.Laskin,分数量子力学和莱维路径积分,物理学。莱特。A268(2000),298-305·Zbl 0948.81595号
[24] N.拉斯金,分数薛定谔方程,物理学。修订版E66(2002),056108。
[25] 李炳元,一些复杂非线性流动问题的数学建模、分析与计算,香港城市大学博士论文,香港,2012。
[26] B.Y.Li、H.D.Gao和W.W.Sun,非线性热敏电阻方程的crank‐Nicolson Galerkin方法的无条件最优误差估计,SIAM J.Numer。分析52(2014),933-954·Zbl 1298.65160号
[27] 李振鹏,赵志刚,陈永清,非线性分数阶微分方程的数值逼近与超扩散,计算。数学。申请62(2011),855-875·Zbl 1228.65190号
[28] D.F.Li,J.W.Zhang,Z.Z.Zhang.,非线性时间分数次反应扩散方程线性化Galerkin方法的无条件最优误差估计,科学杂志。计算结果76(2018年),848-866·Zbl 1397.65173号
[29] Q.Liu、F.H.Zeng和C.P.Li,时空分数阶Schrödinger方程的有限差分法,国际计算杂志。数学92(2015),1439-1451·Zbl 1325.65124号
[30] 刘彦,尹炳良,李洪志,张振中,分数阶微积分移位卷积求积的统一理论,科学学报。计算89(2021),18·Zbl 1523.65073号
[31] C.Lubich和A.Schädle,非反射边界条件的快速卷积,SIAM J.Sci。计算24(2002),161-182·Zbl 1013.65113号
[32] Y.Luchko,一维时间分数阶扩散方程的初边值问题,分形。计算应用程序。分析15(2012),141-160·Zbl 1276.26018号
[33] H.P.Ma和W.W.Sun,Korteweg‐de Vries方程的Legendre‐Petrov‐Galerkin方法的最佳误差估计,SIAM J.Numer。分析39(2002),1380-1394·Zbl 1008.65070号
[34] W.McLean,“指数和近似
[({t}^{-\beta}\]\),“当代计算数学——庆祝Ian Sloan、J.Dick(编辑)、F.Kuo(编辑)和H.Woźniakowski(编辑)的80岁生日,查姆施普林格,2018年·Zbl 1398.65010号
[35] M.Naber,时间分数阶薛定谔方程,J.Math。《物理学》45(2004),3339-3352·Zbl 1071.81035号
[36] A.Nady、F.H.Mathkoor和S.W.Harun,《可饱和吸收体被动锁模光纤激光器的理论研究》,光纤集成。选项38(2019),76-89。
[37] K.M.Owolabi,分数和经典反应扩散系统模式的数学分析和数值模拟,《混沌》,《孤子分形》93(2016),89-98·兹比尔1372.92091
[38] K.M.Owolabi,具有Riesz和Caputo导数的分数阶反应扩散方程的数值模拟,神经计算。申请32(2020),4093-4104。
[39] K.M.Owolabi和A.Atangana,细分扩散和超扩散场景中部分捕食系统时空模式的建模和形成,《欧洲物理学》。J.Plus133(2018),第43页。
[40] K.M.Owolabi和A.Atangana,通过Caputo细分扩散反应方程的分数差分格式的稳健性,混沌,孤子分形.11(2018),119-127·Zbl 1395.65026号
[41] K.M.Owolabi和D.Baleanu,具有分数阶算子的扩散图灵类系统中的突发模式,神经计算。申请33(2021),12703-12720。
[42] K.M.Owolabi和Z.Hammouch,带Atangana‐Baleanu分数阶导数的Belousov‐Zhabotinskii反应系统的时空模式,《物理》A523(2019),1072-1090·Zbl 07563440号
[43] K.M.Owolabia和A.Atangana,具有Riesz分数导数的分数维空间非线性薛定谔方程的数值解,《欧洲物理学》。J.Plus131(2016),第335页。
[44] 彭洪凯和孙洪伟,分数阶扩散方程的多重网格法,J.Compute。《物理学》第231卷(2012年),第693-703页·Zbl 1243.65117号
[45] E.Pindza和K.M.Owolabi,高阶空间分数反应扩散方程的傅里叶谱方法,非线性科学。数字。模拟40(2016),112-128·兹比尔1524.65676
[46] I.Podlubny,分数微分方程,学术出版社,圣地亚哥,1999年·Zbl 0918.34010号
[47] M.H.Ran和C.J.Zhang,非线性时空分数阶Schrödinger方程的线性化crank‐Nicolson格式,J.Compute。申请。数学355(2019),218-231·Zbl 1419.65027号
[48] 任志忠,毛胜平,张建伟,时间分数次细分扩散方程的快速评估和高精度有限元逼近,数值。方法部分差异。等式34(2018),705-730·Zbl 1390.65118号
[49] S.Secchi和M.Squassina,分数阶薛定谔方程的孤子动力学,应用。分析93(2014),1702-1729·Zbl 1298.35166号
[50] J.Shen、T.Tang和L.L.Wang,《谱方法:算法、分析和应用》,施普林格,海德堡,2011年·Zbl 1227.65117号
[51] C.Sulem和P.L.Sulem,《非线性薛定谔方程:自聚焦和波崩塌》,《数学科学中的斯普林格级数》,第139卷,德国,斯普林格,柏林,1999年·Zbl 0928.35157号
[52] H.Sun和W.R.Cao,时间分数次扩散方程的快速时间二阶差分格式,Numer。方法部分差异。等式37(2021),1825-1846。
[53] J.Sun、D.Nie和W.Deng,黎曼-刘维尔分数阶导数卷积求积的快速算法,应用。数字。数学.145(2019),384-410·Zbl 1477.65049号
[54] L.Trefethen和J.Weideman,指数收敛梯形法则,SIAM Rev.56(2014),385-458·Zbl 1307.65031号
[55] M.Wadati、T.Iizuka和M.Hisakado,耦合非线性薛定谔方程和光孤子,J.Phys。Soc.Jpn.61(1992),2241-2245。
[56] 王凯,周振华,半线性细分扩散方程的高阶时间步长格式,SIAM J.Numer。分析58(2020),3226-3250·Zbl 1452.65252号
[57] H.Wu、H.P.Ma和H.Y.Li,求解广义burgers方程的Chebyshev‐Legendre谱方法的最佳误差估计,SIAM J.Numer。分析41(2004),659-672·Zbl 1050.65083号
[58] G.S.Yi、J.Wang、X.L.Wei和B.Deng,具有被动树突的二室神经元的尖峰阈值动力学,Commun。非线性科学。数字。模拟40(2016),100-111·Zbl 1510.92058号
[59] B.L.Yin、Y.Liu和H.Li,通过构建双边空间分数阶平流扩散模型的高精度有限差分算法引入非整数移位参数的必要性,应用。数学。Lett.105(2020),106347·Zbl 1436.65162号
[60] F.H.Zeng、C.P.Li、F.W.Liu和I.Turner,具有二阶精度的时间分数次细分扩散方程的数值算法,SIAM J.Sci。计算37(2015),A55-A78·Zbl 1334.65162号
[61] F.H.Zeng、F.W.Liu、C.P.Li、K.Burrage、I.Turner和V.Anh,二维Riesz空间分数阶非线性反应扩散方程的Crank‐Nicolson ADI谱方法,SIAM J.Numer。分析52(2014),2599-2622·Zbl 1382.65349号
[62] F.H.Zeng、Z.Q.Zhang和G.E.Karniadakis,多项分数阶微分方程的二阶数值方法:光滑和非光滑解,计算。方法应用。机械。工程327(2017),478-502·兹比尔1439.65081
[63] H.Zhang、X.Y.Jiang、F.H.Zeng和G.E.Karniadakis,非线性空间分数反应扩散方程的稳定半隐式傅里叶谱方法,J.Compute。《物理学》第405卷(2020年),第109141页·Zbl 1453.65370号
[64] J.Zhang和C.J.Xu,带非局部粘性项的水波模型的有限差分/谱近似,应用。数学。模型38(2014),4912-4925·Zbl 1428.76149号
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不要求完整或完全匹配。