×

结合自适应切比雪夫优化策略的高阶Gegenbauer积分谱元法用于求解线性奇摄动微分方程。 (英语) Zbl 1493.65122号

摘要:我们提出了一种基于Gegenbauer多项式基的高阶自适应谱元方法,用于求解具有Dirichlet边界条件且一端有边界层的奇摄动微分方程。当解在解域上光滑时,该方法将奇摄动边值问题简化为一个线性代数方程组;当解具有薄边界层时,该算法将两个线性代数方程式组简化为一组。新的自适应策略的核心在于构建Gegenbauer截断级数中最后几个Gegenbaue系数的数学模型,该模型近似于解的二阶导数,可以很容易地转换为最小二乘意义上的最小化问题,并使用快速优化技术进行求解。给出了充分光滑解方法的误差和收敛性分析。通过一个不同参数设置的数值试验实例,验证了该方法的准确性、有效性和适用性。与文献中其他竞争方法的数值比较进一步证明了该方法的威力。

MSC公司:

65升11 常微分方程奇摄动问题的数值解
65升60 有限元、Rayleigh-Ritz、Galerkin和常微分方程的配置方法

软件:

切布芬
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用
全文: 内政部

参考文献:

[1] Roos,H.-G。;苯乙烯,M。;Tobiska,L.,奇异摄动微分方程的稳健数值方法:对流扩散反应和流动问题,第24卷(2008),Springer科学与商业媒体·Zbl 1155.65087号
[2] H.Roos,M.Stynes,L.Tobiska,奇摄动微分方程的数值方法,载于:计算数学中的Springer系列,第24卷,纽约,1996年·Zbl 0844.65075号
[3] Grammel,G.,关于奇异摄动微分包含的最优值函数的收敛性,(第35届IEEE决策与控制会议论文集,第1卷(1996),IEEE),529-530
[4] 莫,J。;Lin,W。;Wang,H.,全球气候大气-海洋耦合模式的奇摄动解,Chin。地理。科学。,18, 2, 193-196 (2008)
[5] Tuan,H.,关于奇异摄动微分包含的可达集和最优控制问题,最优化,26,3-4,325-338(1992)·Zbl 0815.34010号
[6] Meiske,W.,准静态和状态准平衡的Michaelis-Menten机制的近似解,数学。生物科学。,42, 1-2, 63-71 (1978) ·Zbl 0406.92012号
[7] Zyskin,A。;Shub,F。;Snagovskii,Y.,两步非均相催化反应中弛豫过程的定性研究。准稳态近似的精确度,Kinet。目录。,31,2第2部分,387-394(1990)
[8] 科鲁齐,B。;贝尔萨尼,A.M。;Bersani,E.,基于重整化群的Michaelis-Menten动力学的替代方法,数学。生物科学。,299, 28-50 (2018) ·Zbl 1393.92017年
[9] Kobrin,A。;Sobolev,V.,非完整力学模型的分解,(《物理学杂志:会议系列》,第1096(1)卷(2018),IOP出版社),第012054页。
[10] 扎多林,A。;Kharina,O.,化学非线性反应边值问题的数值方法,(数值分析及其应用国际会议(2004),Springer),583-589·兹比尔1118.80303
[11] 维迪琳娜,O。;Voropaeva,N.,《磁电致动器的最优控制问题》,(《物理学杂志:会议系列》,第1096(1)卷(2018),IOP出版社),第012062页。
[12] Bornemann,F.,《奇摄动机械系统的时间均匀化》(2006),Springer
[13] Gartland,E.C.,奇异摄动两点边值问题的统一高阶差分格式,数学。计算。,48, 178, 551-564 (1987) ·Zbl 0621.65088号
[14] 贝克特,G。;Mackenzie,J.,奇异摄动边值问题在均匀网格上有限差分近似的收敛性分析,应用。数字。数学。,35, 2, 87-109 (2000) ·Zbl 0963.65086号
[15] Lubuma,J.M.-S。;Patidar,K.C.,具有振荡/层解的奇摄动问题的非标准方法,应用。数学。计算。,187, 2, 1147-1160 (2007) ·兹比尔1128.65060
[16] Rao,S.C.S。;Kumar,M.,自共轭奇摄动边值问题的指数B样条配点法,应用。数字。数学。,58, 10, 1572-1581 (2008) ·Zbl 1157.65047号
[17] Kadalbajoo,M.K。;阿罗拉,P。;Gupta,V.,用人工粘性配置法求解具有双边界层的刚性奇摄动转向点问题,计算。数学。申请。,61, 6, 1595-1607 (2011) ·Zbl 1217.65156号
[18] Lodhi,R.K。;Mishra,H.K.,二阶自共轭奇摄动边值问题的化粪池B样条方法,Ain Shams Eng.J.(2017)
[19] 库里,S.A。;Sayfy,A.,边界层问题:四阶自适应配置方法,计算。数学。申请。,64, 6, 2089-2099 (2012) ·Zbl 1268.65102号
[20] 尤兹巴申夫。,奇异摄动微分方程基于第一类贝塞尔函数的配点法和残差修正,Math。方法应用。科学。,38, 14, 3033-3042 (2015) ·Zbl 1331.65111号
[21] Ling,L。;Trummer,M.R.,边界层问题的自适应多重二次配置,J.Compute。申请。数学。,188, 2, 265-282 (2006) ·Zbl 1086.65078号
[22] 耿,F。;钱,S.,具有双边界层奇摄动转向点问题的再生核方法,应用。数学。莱特。,26, 10, 998-1004 (2013) ·兹比尔1312.65121
[23] 艾哈迈德尼亚,M。;Safari,Z.,用改进的最小二乘法数值求解奇摄动边值问题,J.Compute。申请。数学。,331, 156-165 (2018) ·Zbl 1377.65092号
[24] 乔纳,D。;Finěk,V.,奇异摄动问题的小波方法注释,(AIP会议论文集,第1631(1)卷(2014),AIP),111-113
[25] 沙阿·F·A。;Abass,R.,解奇摄动边值问题的运算Haar小波配置方法,SeMA J.,74,4,457-474(2017)·Zbl 1380.65133号
[26] Kopteva,N。;O'Riordan,E.,《奇异摄动微分方程数值解中的Shishkin网格》(2010),科学计算与信息研究所·Zbl 1197.65094号
[27] 普拉萨德,H。;Reddy,Y.,用微分求积法求解奇摄动两点奇异边值问题,Am.J.Numer。分析。,2, 6, 177-183 (2014)
[28] 施瓦布,C。;苏里,M。;色诺芬托斯,C.A.,通过光谱/hp方法进行边界层近似,休斯顿数学杂志。,95、501-508(1996),ICOSAHOM规范发行
[29] Abd-Elhameed,W。;Youssri,Y。;Doha,E.,一种基于移位勒让德多项式的新型运算矩阵方法,用于求解涉及奇异、奇摄动和Bratu-型方程的二阶边值问题,数学。科学。,9, 2, 93-102 (2015) ·Zbl 1407.65080号
[30] 邵伟(Shao,W.)。;吴,X。;Wang,C.,基于Chebyshev-tau方法的自适应区域分解算法的数值研究,用于解决奇异摄动问题,应用。数字。数学。,118, 19-32 (2017) ·Zbl 1367.65112号
[31] Tang,T。;Trummer,M.R.,奇异摄动问题的边界层解析伪谱方法,SIAM J.Sci。计算。,17, 2, 430-438 (1996) ·Zbl 0851.65058号
[32] Elgindy,K.T。;Smith-Miles,K.A.,《使用Gegenbauer积分矩阵求解边值问题、积分和积分微分方程》,J.Compute。申请。数学。,237, 1, 307-325 (2013) ·Zbl 1259.65212号
[33] Tapia,J.J。;López,P.G.,扩散界面模型的自适应伪光谱解,J.Compute。申请。数学。,224, 1, 101-117 (2009) ·Zbl 1394.76082号
[34] Mickens,R.E.,《非标准有限差分格式应用进展》(2005),《世界科学》·兹比尔1085.65071
[35] 瓦西尔埃娃,A.B。;Butuzov,V.F。;Kalachev,L.V.,奇异摄动问题的边界函数方法,研究应用。数学。(1993)
[36] 法雷尔,P。;Hegarty,A。;米勒,J.M。;O'Riordan,E。;Shishkin,G.I.,《边界层稳健计算技术》(2000),CRC出版社·Zbl 0964.65083号
[37] Miller,J.J。;O'Riordan,E。;Shishkin,G.I.,奇异摄动问题的拟合数值方法:一维和二维线性问题最大范数的误差估计(2012),《世界科学》·兹比尔1243.65002
[38] Vulkov,L。;Miller,J.J。;Shishkin,G.,对流主导和奇摄动问题的分析和数值方法(2000),Nova出版社
[39] 莫顿,K.W.,《复兴:对流扩散问题的数值解》(1996)(2019),CRC出版社·Zbl 0861.65070号
[40] Nayfeh,A.H.,《扰动技术导论》(2011),John Wiley&Sons
[41] Kadalbajoo,M.K。;Patidar,K.C.,求解奇摄动常微分方程的数值技术综述,应用。数学。计算。,130, 2-3, 457-510 (2002) ·Zbl 1026.65059号
[42] Kadalbajoo,M.K。;Gupta,V.,《求解奇异摄动问题的数值方法的简要综述》,应用。数学。计算。,217, 8, 3641-3716 (2010) ·Zbl 1208.65105号
[43] Roos,H.-G.,奇异摄动微分方程的稳健数值方法:涵盖2008-2012年的调查,ISRN Appl。数学。,2012 (2012) ·Zbl 1264.65116号
[44] Sharma,K.K。;Rai,P。;Patidar,K.C.,《带转向点和内层的奇摄动微分方程综述》,应用。数学。计算。,219, 22, 10575-10609 (2013) ·Zbl 1302.34087号
[45] Elgindy,K.T.,用于解决非线性最优控制问题的高阶自适应Gegenbauer积分谱元方法,优化,66,5,811-836(2017)·Zbl 1373.49032号
[46] Elgindy,K.T.,《通过切比雪夫多项式进行优化》,J.Appl。数学。计算。,56, 1, 317-349 (2018) ·兹比尔1386.65156
[47] 龚,Q。;Kang,W。;Ross,I.M.,约束反馈线性化系统最优控制的伪谱方法,IEEE Trans。自动化。控制,51,7,1115-1129(2006)·Zbl 1366.49035号
[48] Elgindy,K.T.,解非线性最优控制问题的高阶自适应Gegenbauer积分谱元方法(2016),arXiv预印本arXiv:1608.00935
[49] Doha,E.,超球面多项式展开抛物方程的精确解,计算。数学。申请。,19, 4, 75-88 (1990) ·Zbl 0706.65089号
[50] Elgindy,K.T.,使用移位Gegenbauer伪谱方法求解二阶一维双曲电报方程的高阶数值解,Numer。方法偏微分方程,32,1,307-349(2016)·Zbl 1346.65052号
[51] Elgindy,K.T。;Refat,H.M.,解Lane-Emden型微分方程的高阶位移Gegenbauer积分伪谱方法,应用。数字。数学。,128, 98-124 (2018) ·兹比尔1415.65174
[52] Elgindy,K.,Gegenbauer配置积分方法:计算最优控制理论的进展(2013),莫纳什大学科学院数学科学学院:澳大利亚莫纳什学院数学科学学院,(博士论文)
[53] Keiner,J.,《用Gegenbauer多项式展开计算》,SIAM J.Sci。计算。,31, 3, 2151-2171 (2009) ·邮编:1188.42016
[54] Elgindy,K.T。;Karasözen,B.,通过高阶线性化积分节点间断Gegenbauer-Galerkin方法对粘性Burgers方程进行分布式最优控制,最优控制应用。方法(2019年),出版
[55] Elgindy,K.T。;Smith-Miles,K.A.,任意积分节点上的最优Gegenbauer求积,J.Compute。申请。数学。,242, 82-106 (2013) ·Zbl 1255.65071号
[56] Elgindy,K.T.,《通过切比雪夫多项式进行优化》,J.Appl。数学。计算。,56, 1-2, 317-349 (2018) ·Zbl 1386.65156号
[57] Boyd,J.P.,Chebyshev和Fourier光谱方法(2001),Courier Corporation·Zbl 0994.65128号
[58] Rudin,W.(数学分析原理.数学分析原理,国际纯数学和应用数学系列(1976),麦格劳-希尔教育)·Zbl 0346.26002号
[59] Chebfun-当前版本-文件交换-MATLAB中心(2018),https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/47023-chebfun-current-version。(2018年4月13日访问)
[60] Delta和Heaviside超函数(2012),http://www.chebfun.org/examples/complex/Hyperfuns.html。(2019年5月1日访问)
[61] Lin,B。;李凯。;Cheng,Z.,生物学中出现的奇摄动边值问题的B样条解,混沌孤立子分形,42,52934-2948(2009)·兹比尔1198.65248
[62] 坎德瓦尔,P。;Khan,A.,使用非多项式样条技术的两个小参数奇摄动对流扩散边值问题,数学。科学。,11, 2, 119-126 (2017) ·Zbl 1453.65172号
[63] Kierzenka,J。;Shampine,L.F.,控制残差和误差的BVP解算器,J.Numer。分析。Ind.申请。数学。,3, 1-2, 27-41 (2008) ·Zbl 1154.65063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。