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时间分布阶和Riesz空间分数阶扩散方程的快速二阶精确差分格式。 (英语) Zbl 1468.65175号

摘要:本文的目的是发展一种快速的二阶精度差分格式,用于求解一维和二维时间分布阶和Riesz空间分数阶扩散方程。对于一维和二维问题,我们采取了如下相同的措施:首先用复合梯形公式将时间分布阶分数阶扩散问题转化为多项时空分数阶扩散。然后,我们提出了一种基于特殊点上插值逼近的二阶精确差分格式来解决由此产生的问题。同时,证明了新差分格式在L_2范数下的无条件稳定性和收敛性。此外,我们发现,离散化导致了一系列Toeplitz系统,这些系统可以用带有适当循环预条件的Krylov子空间方法进行有效求解。最后,数值结果表明了所提差分方法的有效性,并证明了预处理Krylov子空间方法的快速收敛性。

MSC公司:

65号06 含偏微分方程边值问题的有限差分方法
65N12号 含偏微分方程边值问题数值方法的稳定性和收敛性
65F08个 迭代方法的前置条件
65层10 线性系统的迭代数值方法
15个B05 Toeplitz、Cauchy和相关矩阵
35兰特 分数阶偏微分方程
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参考文献:

[1] A.A.Alikhanov,时间分数阶扩散方程的新差分格式,J.Compute。物理。,2015, 280, 424-438. ·Zbl 1349.65261号
[2] A.H.Bhrawy和M.A.Zaky,基于Jacobi-tau近似求解多项时空分数阶偏微分方程的方法,J.Compute。物理。,2015, 281, 876-895. ·Zbl 1352.65386号
[3] A.H.Bhrawy和M.A.Zaky,多维分布阶广义Schro¨dinger方程的数值模拟,非线性动力学。,2017, 89, 1415-1432. ·兹比尔1448.65180
[4] W.Bu,A.Xiao和W.Zeng,分布阶时间分数阶扩散方程的有限差分/有限元方法,科学杂志。计算。,2017年,72(3),422-441·Zbl 1375.65110号
[5] R.Chan和X.Q.Jin,《迭代Toeplitz解算器简介》,宾夕法尼亚州SIAM,2007年·Zbl 1146.65028号
[6] R.Chan和G.Strang,带循环预条件的共轭梯度Toeplitz方程,SIAM J.Sci。统计计算。,1989, 10(1), 104-119. ·Zbl 0666.65030号
[7] A.Chechkin、R.Gorenflo和I.Sokolov,分布阶分数阶扩散方程控制的延迟细分扩散和加速超扩散,物理学。E版,2002年,66(4),046129。
[8] L.K.Chou和S.L.Lei,用预处理策略求解保守形式的高维分数阶扩散方程的快速ADI方法,计算。数学。申请。,2017, 73(3), 385-403. ·Zbl 1368.65165号
[9] G.H.Gao,A.A.Alikhanov和Z.Z.Sun,基于插值逼近的时间二阶差分格式,用于求解时间多项和分布阶分数次亚扩散方程,J.Sci。计算。,2017, 73, 93-121. ·Zbl 1381.65064号
[10] G.H.Gao,H.W.Sun和Z.Z.Sun,分布阶微分方程的一些高阶差分格式,J.Compute。物理。,2015, 298, 337-359. ·Zbl 1349.65296号
[11] Gao G.H.和Sun Z.Z.,二维分布阶微分方程的两个交替方向隐式差分格式及其外推方法,计算。数学。申请。,2015, 69(9), 926-948. ·Zbl 1443.65124号
[12] X.M.Gu,T.Z.Huang,B.Carpentieri等人,求解非厄米线性系统的BiCORSTAB和GPBiCOR方法的混合迭代算法,计算。数学。申请。,2015, 70(12), 3019-3031. ·Zbl 1443.65042号
[13] 顾晓明,黄振中,季春秋等,时空分数阶对流扩散方程的二阶隐式差分快速迭代方法,科学学报。计算。,2017, 72, 957-985. ·Zbl 1379.65062号
[14] X.M.Gu,T.Z.Huang,H.B.Li等人,Toeplitz线性系统基于CSCS的Onk-step多项式预处理器及其在分数阶扩散方程中的应用,应用。数学。莱特。,2015, 42, 53-58. ·Zbl 1326.65120号
[15] 顾晓明,黄振中,赵晓良等,用边值方法求解分数阶扩散方程的串型预条件,J.Compute。申请。数学。,2015, 277, 73-86. ·Zbl 1302.65212号
[16] B.Henry,T.Langlands和S.Wearne,《线性反应动力学的反常扩散:从连续时间随机游动到分数反应扩散方程》,Phys。E版,2006年,74(3),031116。
[17] X.Hu,F.Liu,I.Turner和V.Anh,一种新的时间分布阶双边空间分数平流扩散方程的隐式数值方法,Numer。阿尔戈。,2016, 72(2), 393-407. ·Zbl 1343.65110号
[18] H.Jiang,F.Liu,I.Turner和K.Burrage,有限域上多项时空Caputo-Riesz分数阶平流-扩散方程的分析解,J.Math。分析。申请。,2012, 389(2), 1117-1127. ·Zbl 1234.35300号
[19] J.T.Katsikadelis,分布阶分数阶微分方程的数值解,J.Compute。物理。,2014, 259, 11-22. ·兹比尔1349.65212
[20] A.N.Kochubei,分布阶微积分和超低扩散方程,数学杂志。分析。申请。,2008年,340(1),252-281·Zbl 1149.26014号
[21] 雷圣良,陈晓霞,张晓霞,高维分数阶扩散方程的多层循环预条件,东亚应用杂志。数学。,2016, 6(2), 109-130. ·Zbl 1481.65140号
[22] S.L.Lei和H.W.Sun,分数阶扩散方程的循环预条件,J.Compute。物理。,2013, 242, 715-725. ·Zbl 1297.65095号
[23] 李春华,丁海华,反应和反常扩散方程的高阶有限差分方法,应用。数学。型号。,2014, 38(15), 3802-3821. ·Zbl 1429.65188号
[24] 李浩,吴晓武,张杰等,二维空间无界区域上时间分数次扩散方程的数值解,东方。亚洲。J.应用。数学。,2017, 7(3), 439-454. ·Zbl 1383.65093号
[25] Z.Li,Y.Luchko和M.Yamamoto,分布阶时间分数阶扩散方程解的解析性及其在反问题中的应用,计算。数学。申请。,2017, 73(6), 1041-1052. ·Zbl 1409.35221号
[26] F.Liu,M.M.Meerschaert,R.J.McGough等人,求解多项时间分数波扩散方程的数值方法,分形。计算应用程序。分析。,2013, 16(1), 9-25. ·Zbl 1312.65138号
[27] F.Liu,C.Yang和K.Burrage,带非线性源项的修正异常细分扩散方程的数值方法和分析技术,J.Compute。申请。数学。,2009, 231(1), 160-176. ·Zbl 1170.65107号
[28] Q.Liu,F.Liu,I.Turner和V.Anh,修正反常细分扩散方程的有限元近似,应用。数学。型号。,2011, 35(8), 4103-4116. ·Zbl 1221.65257号
[29] R.L.Magin、O.Abdullah、D.Baleanu和X.J.Zhou,Bloch-Torrey方程中分数阶微分算子表示的异常扩散,J.Magn。资源。,2008, 190(2), 255-270.
[30] S.Mashayekhi和M.Razzaghi,用混合函数数值求解分布阶分数阶微分方程,J.Compute。物理。,2016, 315, 169-181. ·Zbl 1349.65253号
[31] M.M.Meerschaert,E.Nane和P.Vellaisamy,有界区域上的分布阶分数扩散,J.Math。分析。申请。,2011, 379(1), 216-228. ·Zbl 1222.35204号
[32] D.Rui,Z.P.Hao和Z.Z.Sun,分布阶时间分数阶微分方程光滑解的Lubich二阶方法,East。亚洲。J.应用。数学。,2016, 6(2), 131-151. ·兹比尔1457.65047
[33] H.Scher和E.W.Montroll,非晶态固体中的异常渡越时间色散,物理。修订版B,1975年,12(6),2455。
[34] W.Schneider和W.Wyss,分数扩散和波动方程,J.Math。物理。,1989, 30(1), 134-144. ·Zbl 0692.45004号
[35] 孙振中、高国浩,分数阶微分方程的有限差分方法,科学出版社,北京,2015。(中文)。
[36] 王凯,王宏,分数阶对流扩散方程的快速特征有限差分方法,水资源高级研究所。,2011, 34(7), 810-816.
[37] H.Ye,F.Liu,V.Anh和I.Turner,有界区域上时间分布阶和Riesz空间分数扩散的数值分析,IMA J.Appl。数学。,2015, 80(3), 825-838. ·Zbl 1337.65120号
[38] M.A.Zaky,分布阶分数阶最优控制问题的Legendre配置法,非线性动力学。,2018, 91, 2667-2681. ·Zbl 1392.35331号
[39] M.A.Zaky,多项时间分数阶扩散方程的勒让德谱求积tau方法,Comp。申请。数学。,2018, 37, 3525-3538. ·Zbl 1404.65204号
[40] M.A.Zaky、E.H.Doha和J.A.T.Machado,解分布阶分数初值问题的谱数值方法,J.Compute。非线性动力学。,2018, 13(10), 101007. ·Zbl 06902342号
[41] M.A.Zaky和J.A.T.Machado,关于分布阶分数阶最优控制问题的公式化和数值模拟,Commun。非线性科学。数字。模拟。,2017, 52, 177-189. ·Zbl 1510.49018号
[42] 十、。
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