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多维分数拉普拉斯方程的简单求解器。 (英语) Zbl 1437.65242号

摘要:我们提出了分数阶拉普拉斯算子超奇异积分表示的一种简单离散格式,并求解了相应的分数阶拉布拉斯问题。通过奇点减法,我们得到了一个正则化被积函数,该被积函数服从具有等间距节点的梯形规则,假设基本函数(即,C^6中的u(mathbb{R}^d))具有高度正则性。由此产生的求积方案在规则网格上给出了一个离散算子,它是平移不变的,因此可以用快速傅里叶变换快速应用。对于有界域上与空间分数阶扩散相关的问题的离散化,我们观察到,使用基于有限差分(非分数)拉普拉斯算子的预条件,通过预条件Krylov方法可以有效地求解潜在的线性系统。对于椭圆(稳态)分数扩散问题和含时问题,我们的数值结果表明了我们的简单格式的错误以及预处理方法的效率。

MSC公司:

65兰特 积分方程的数值方法
35兰特 分数阶偏微分方程
65纳米06 含偏微分方程边值问题的有限差分方法
26A33飞机 分数导数和积分
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参考文献:

[1] M.Abramowitz和I.Stegun,《数学函数手册:公式、图形和数学表》,多佛出版社,纽约,1964年·Zbl 0171.38503号
[2] G.Acosta和J.P.Borthagaray,分数拉普拉斯方程:解的正则性和有限元近似,SIAM J.Numer。分析。,55(2017),第472-495页,https://doi.org/10.1137/15M1033952。 ·Zbl 1359.65246号
[3] G.Acosta、J.P.Borthagaray、O.Bruno和M.Maas,(1D)分数拉普拉斯算子的正则性理论和高阶数值方法,数学。公司。,87(2018),第1821-1857页·Zbl 1409.65111号
[4] M.Ainsworth和C.Glusa,分数拉普拉斯算子的自适应有限元方法的方面:先验和后验误差估计,有效实现和多重网格求解器,Comput。方法应用。机械。工程,327(2017),第4-35页,https://doi.org/10.1016/j.cma.2017.08.019。 ·Zbl 1439.65142号
[5] M.Ainsworth和C.Glusa,分数Laplacian的混合有限元谱方法:近似理论和高效求解器,SIAM J.Sci。计算。,40(2018年),第A2383-A2405页,https://doi.org/10.1137/17M1144696。 ·Zbl 1402.65148号
[6] M.Ainsworth和C.Glusa,《多边形域上积分分数Laplacian的高效有限元方法》,载于《当代计算数学》,J.Dick、F.Y.Kuo和H.Wozniakowski编辑,Springer International Publishing,Cham,2018年,第17-57页·Zbl 1407.65276号
[7] A.Bonito、J.P.Borthagaray、R.H.Nochetto、E.Otarola和A.J.Salgado,分数扩散的数值方法,计算。视觉。科学。,19(2018),第19-46页·Zbl 07704543号
[8] A.Bonito、W.Lei和J.E.Pasciak,积分分数拉普拉斯算子的数值逼近,Numer。数学。,142(2019),第235-278页·Zbl 1414.65032号
[9] L.Caffarelli和L.Silvestre,与分数拉普拉斯算子相关的一个推广问题,《Comm.偏微分方程》,32(2007),第1245-1260页,https://doi.org/10.1080/03605300600987306。 ·Zbl 1143.26002号
[10] M.Chen,Y.Wang,X.Cheng,and W.Deng,多维Riesz分数阶扩散方程的二阶LOD多重网格方法,BIT,54(2014),第623-647页,https://doi.org/10.1007/s10543-014-0477-1。 ·Zbl 1301.35200号
[11] D.Cruz-Uribe和C.Neugebauer,梯形规则和Simpson规则的Sharp误差界,J.不等式。纯应用程序。数学。,3 (2002), 49. ·Zbl 1030.41016号
[12] M.D’Elia和M.Gunzburger,有界域上的分数Laplacian算子作为非局部扩散算子的特例,计算。数学。申请。,66(2013),第1245-1260页,https://doi.org/10.1016/j.camwa.2013.07.022。 ·Zbl 1345.35128号
[13] S.Duo、H.W.van Wyk和Y.Zhang,分数阶拉普拉斯和分数阶泊松问题的一种新颖且精确的有限差分方法,J.Compute。物理。,355(2018),第233-252页,https://doi.org/10.1016/j.jcp.2017.11.011。 ·Zbl 1380.65323号
[14] M.Felsinger、M.Kassmann和P.Voigt,非局部算子的狄利克雷问题,数学。Z.,279(2015),第779-809页,https://doi.org/10.1007/s00209-014-1394-3。 ·Zbl 1317.47046号
[15] X.Fernaández-Real和X.Ros-Oton,一般稳定算子的正则性理论:抛物方程,J.Funct。分析。,272(2017),第4165-4221页,https://doi.org/10.1016/j.jfa.2017.02.015。 ·Zbl 1372.35058号
[16] W.Fong和E.Darve,黑盒快速多极子方法,J.Compute。物理。,228(2009),第8712-8725页,https://doi.org/10.1016/j.jcp.2009.08.031。 ·Zbl 1177.65009号
[17] 傅浩,吴明光,王浩,时空分数阶偏微分方程的分治快速有限差分法,计算。数学。申请。,73(2017),第1233-1242页,https://doi.org/10.1016/j.camwa.2016.11.023。 ·Zbl 1412.65073号
[18] 傅和王,时空分数阶偏微分方程的预处理快速有限差分方法,分形。计算应用程序。分析。,20(2017年),第88-116页·Zbl 1360.65221号
[19] 傅浩,王浩,时空分数阶偏微分方程的预处理快速准实有限差分方法,科学学报。计算。,78(2019),第1724-1743页,https://doi.org/10.1007/s10915-018-0835-2。 ·Zbl 1415.65190号
[20] T.Gao、J.Duan、X.Li和R.Song,Leövy噪声驱动动力系统的平均退出时间和逃逸概率,SIAM J.Sci。计算。,36(2014年),第A887-A906页,https://doi.org/10.1137/120897262。 ·Zbl 1318.60065号
[21] A.George,常规有限元网格的嵌套剖分,SIAM J.Numer。分析。,10(1973年),第345-363页,https://doi.org/10.1137/0710032。 ·Zbl 0259.65087号
[22] L.Greengard和V.Rokhlin,粒子模拟的快速算法,J.Compute。物理。,73(1987),第325-348页·Zbl 0629.65005号
[23] M.Hestenes和E.Stiefel,求解线性系统的共轭梯度方法,J.Res.Natl。《局标准》,49(1952),第409-436页·Zbl 0048.09901号
[24] Y.Hu,C.Li,和H.Li,分数阶Laplacian的Caputo型抛物方程的有限差分方法:一维情况,混沌孤子分形,102(2017),第319-326页,https://doi.org/10.1016/j.chaos.2017.03.038。 ·Zbl 1422.65157号
[25] Y.Huang,分数阶多孔介质方程的显式Barenblatt剖面,Bull。伦敦。数学。Soc.,46(2014),第857-869页,https://doi.org/10.1112/blms/bdu045。 ·兹比尔1297.35273
[26] Y.Huang和A.Oberman,分数阶拉普拉斯算子的数值方法:有限差分求积方法,SIAM J.Numer。分析。,52(2014),第3056-3084页,https://doi.org/10.1137/140954040。 ·Zbl 1316.65071号
[27] Y.Huang和A.Oberman,分数拉普拉斯算子的有限差分方法,arXiv电子版,2016,https://arxiv.org/abs/1611.00164。
[28] A.Iserles,《微分方程数值分析第一课程》,剑桥大学出版社,英国剑桥,1996年·Zbl 0841.65001号
[29] M.Kwasínicki,分数Laplace算子的十个等价定义,Fract。计算应用程序。分析。,20(2017),第7-51页,https://doi.org/10.1515/fca-2017-0002。 ·Zbl 1375.47038号
[30] Y.Lin和C.Xu,时间分数阶扩散方程的有限差分/谱近似,J.Compute。物理。,225(2007),第1533-1552页,https://doi.org/10.1016/j.jcp.2007.02.001。 ·Zbl 1126.65121号
[31] A.Lischke、G.Pang、M.Gulian、F.Song、C.Glusa、X.Zheng、Z.Mao、W.Cai、M.M.Meerschaert、M.Ainsworth和G.E.Karniadakis,分数拉普拉斯语是什么?与新结果的对比审查,J.Compute。物理。,404 (2020), 109009. ·Zbl 1453.35179号
[32] B.Mandelbrot,《自然的分形几何》,亨利·霍尔特公司,纽约,1982年·Zbl 0504.28001号
[33] Z.Mao和G.E.Karniadakis,具有一般双边分数导数的扩散方程奇异解的谱方法(指数收敛),SIAM J.Numer。分析。,56(2018),第24-49页,https://doi.org/10.1137/16M1103622。 ·Zbl 1422.65428号
[34] O.Marin、O.Runborg和A.-K.Tornberg,一类奇异函数的修正梯形规则,IMA J.Numer。分析。,34(2014),第1509-1540页,https://doi.org/10.1093/imanum/drt046。 ·Zbl 1304.65115号
[35] W.McLean和K.Mustapha,分数阶波动方程的二阶精确数值方法,数值。数学。,105(2007),第481-510页,https://doi.org/10.1007/s00211-006-0045-y。 ·Zbl 1111.65113号
[36] M.M.Meerschaert、H.-P.Schefler和C.Tadjeran,《二维分数阶色散方程的有限差分方法》,J.Compute。物理。,211(2006),第249-261页,https://doi.org/10.1016/j.jcp.2005.05.017。 ·Zbl 1085.65080号
[37] M.M.Meerschaert和C.Tadjeran,双边空间分数阶偏微分方程的有限差分逼近,应用。数字。数学。,56(2006),第80-90页,https://doi.org/10.1016/j.apnum.2005.02.008。 ·兹比尔1086.65087
[38] R.Metzler和J.Klafter,《异常扩散的随机行走指南:分数动力学方法》,Phys。众议员,339(2000),第1-77页,https://doi.org/10.1016/S0370-1573(00)00070-3. ·Zbl 0984.82032号
[39] R.Metzler和J.Klafter,《随机行走结束时的餐厅:分数动力学描述异常传输的最新进展》,J.Phys。A、 37(2004),R161·2018年5月10日
[40] R.H.Nochetto、E.Otaírola和A.J.Salgado,《一般领域分数扩散的PDE方法:先验误差分析》,Found。计算。数学。,15(2015),第733-791页,https://doi.org/10.1007/s10208-014-9208-x。 ·Zbl 1347.65178号
[41] 彭浩凯,孙浩伟,分数阶扩散方程的多重网格法,J.Compute。数学。,231(2012),第693-703页,https://doi.org/10.1016/j.jcp.2011.10.005。 ·Zbl 1243.65117号
[42] C.Pozrikidis,《分数拉普拉斯人》,CRC出版社,佛罗里达州博卡拉顿,2016年·Zbl 1351.26001号
[43] X.Ros-Oton,有界域中的非局部方程:综述,Publ。Mat.,60(2016),第3-26页·Zbl 1337.47112号
[44] X.Ros-Oton和J.Serra,分数阶拉普拉斯算子的Dirichlet问题:边界的正则性,J.Math。Pures应用程序。(9) ,101(2014),第275-302页,https://doi.org/10.1016/j.matpur.2013.06.003。 ·Zbl 1285.35020号
[45] X.Ros-Oton和J.Serra,一般稳定算子的正则性理论,J.微分方程,260(2016),第8675-8715页,https://doi.org/10.1016/j.jde.2016.02.033。 ·Zbl 1346.35220号
[46] A.I.Saichev和G.M.Zaslavsky,分数动力学方程:解与应用,混沌,7(1997),第753-764页,https://doi.org/10.1063/1.166272。 ·Zbl 0933.37029号
[47] X.Tian和Q.Du,非局部扩散和线性动力学方程不同近似的分析和比较,SIAM J.Numer。分析。,51(2013),第3458-3482页,https://doi.org/10.1137/13091631X。 ·Zbl 1295.82021号
[48] X.Tian,Q.Du,和M.Gunzburger,有界区域上分数Laplacian和相关非局部扩散问题近似的渐近兼容格式,高级计算。数学。,42(2016),第1363-1380页,https://doi.org/10.1007/s10444-016-9466-z。 ·Zbl 1356.65239号
[49] P.N.Vabishchevich,椭圆算子分数幂方程的数值求解,J.Compute。物理。,282(2015),第289-302页,https://doi.org/10.1016/j.jp.2014.11.022。 ·Zbl 1352.65557号
[50] J.L.Vázquez,《扩散的数学理论》。非线性和分数扩散,arXiv电子版,2017年,https://arxiv.org/abs/1706.08241。 ·兹比尔1492.35151
[51] H.Wang和T.S.Basu,二维空间分数阶扩散方程的快速有限差分方法,SIAM J.Sci。计算。,34(2012),第A2444-A2458页,https://doi.org/10.1137/12086491X。 ·Zbl 1256.35194号
[52] 王浩,杜新民,稳态空间分数阶扩散方程的超快速条件迭代法,J.Compute。物理。,240(2013),第49-57页,https://doi.org/10.1016/j.jcp.2012.07.045。 ·Zbl 1287.65100号
[53] K.Xu和E.Darve,《二维和三维分数阶拉普拉斯算子的光谱方法》,arXiv电子版,2018年,arXiv:1812.08325。
[54] L.Ying、G.Biros和D.Zorin,二维和三维核相关自适应快速多极算法,J.Compute。物理。,196(2004),第591-626页,https://doi.org/10.1016/j.jcp.2003.11.021。 ·Zbl 1053.65095号
[55] M.Zayernouri和G.E.Karniadakis,分数光谱配置法,SIAM J.Sci。计算。,36(2014),第A40-A62页,https://doi.org/10.1137/10933216。 ·Zbl 1294.65097号
[56] F.Zeng、C.Li、F.Liu和I.Turner,《有限差分/单元方法在求解时间分数次细分扩散方程中的应用》,SIAM J.Sci。计算。,35(2013),第A2976-A3000页,https://doi.org/10.1137/10910865。 ·Zbl 1292.65096号
[57] F.Zeng、Z.Zhang和G.E.Karniadakis,求解高维时间分数次细分扩散方程的快速差分格式,J.Compute。物理。,307(2016),第15-33页,https://doi.org/10.1016/j.jcp.2015.11.058。 ·Zbl 1352.65278号
[58] M.Zhao、H.Wang和A.Cheng,三维含时分数阶导数边界条件的空间分数阶扩散方程的快速有限差分方法,J.Sci。计算。,74(2018),第1009-1033页,https://doi.org/10.1007/s10915-017-0478-8。 ·Zbl 1395.65036号
[59] X.Zhao,Z.-Z.Sun和G.E.Karniadakis,可变阶分数导数的二阶近似,J.Compute。物理。,293(2015),第184-200页,https://doi.org/10.1016/j.jcp.2014.08.015。 ·Zbl 1349.65092号
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