×

基于紧致有限差分格式的空间分数阶扩散方程的收敛性分析。 (英语) Zbl 1463.65244号

摘要:本文发展了一种在卡普托导数意义下逼近空间分数阶扩散方程的数值方法。在这个离散化过程中,首先使用收敛阶的紧致有限差分(mathcal{O}(delta\tau^2))来获得半离散时间导数。然后,利用第三类切比雪夫配点法离散空间分数阶导数。该配置方案基于运算矩阵,并从理论上详细证明了时间离散稳定性和收敛性。我们用所提出的方法求解了两个例子,并将所得结果与其他数值方法进行了比较。数值结果表明,我们的方法比现有方法准确得多。

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
34K37号 分数阶导数泛函微分方程
91G80型 其他理论的金融应用
97N50型 插值和近似(教育方面)
35兰特 分数阶偏微分方程
65号35 偏微分方程边值问题的谱、配置及相关方法
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
35兰特 偏微分方程的自由边界问题
41A50型 最佳逼近,切比雪夫系统
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用
全文: 内政部

参考文献:

[1] 阿卜杜勒卡维,M。;洛佩斯,AM;Zaky,M.,解分布阶时间分数阶反应扩散方程的移位分数阶Jacobi谱算法,计算应用数学,38,2,81(2019)·Zbl 1438.65244号 ·doi:10.1007/s40314-019-0845-1
[2] 阿津,H。;Mohammadi,F。;Machado,JT,求解大区域分数阶Riccati微分方程的分段谱配置方法,计算应用数学,38,3,96(2019)·兹比尔1449.65164 ·doi:10.1007/s40314-019-0860-2
[3] Bohaienko,V.,用广义Caputo导数求解空间分数过滤方程的快速有限差分算法,计算应用数学,38,3,105(2019)·Zbl 1438.35425号 ·doi:10.1007/s40314-019-0878-5
[4] 卡努托,C。;侯赛尼,MY;Quarteroni,A。;Zang,TA,光谱方法(2006),柏林:施普林格,柏林·Zbl 1093.76002号
[5] Caputo,M.,Q几乎与频率无关的耗散线性模型-II,《地球物理学杂志》,第13、5、529-539页(1967年)·doi:10.1111/j.1365-246X.1967.tb02303.x
[6] 埃文,VJ;豪尔,N。;Roop,JP,依赖时间的非线性空间分数扩散方程的数值近似,SIAM J Numer Anal,45,2,572-591(2007)·Zbl 1141.65089号 ·doi:10.1137/050642757
[7] Golbabai,A。;Nikan,O.,基于移动最小二乘法的时间分数Black-Scholes模型中双障碍期权定价的计算方法,Compute Econ,20,1-23(2019)
[8] Golbabai,A。;O.Nikan。;Nikazad,T.,金融市场中产生的时间分数Black-Scholes欧洲期权定价模型的数值分析,计算应用数学,38,4,173(2019)·Zbl 1463.91199号 ·doi:10.1007/s40314-019-0957-7
[9] Golbabai,A。;O.Nikan。;Nikazad,T.,多孔介质中溶质运移产生的时间分数流动-流动平流-扩散模型的数值研究,国际应用计算数学杂志,5,3,50(2019)·兹比尔1411.76113 ·doi:10.1007/s40819-019-0635-x
[10] 哈希姆,I。;O.阿卜杜勒·阿齐兹。;Momani,S.,分数IVP的同伦分析方法,公共非线性科学数值模拟,14,3,674-684(2009)·Zbl 1221.65277号 ·doi:10.1016/j.cnsns.2007.09.014
[11] He,JH,多孔介质中分数导数渗流的近似分析解,计算方法应用机械工程,167,1-2,57-68(1998)·Zbl 0942.76077号 ·doi:10.1016/S0045-7825(98)00108-X
[12] BI亨利;Wearne,SL,两种群分数反应扩散系统中图灵不稳定性的存在性,SIAM J Appl Math,62,3870-887(2002)·Zbl 1103.35047号 ·doi:10.1137/S0036139900375227
[13] Inc,M.,用变分迭代法求解具有初始条件的时空分数阶Burgers方程的近似和精确解,J Math Ana Appl,345,1,476-484(2008)·Zbl 1146.35304号 ·doi:10.1016/j.jmaa.2008.04.007
[14] Khader,M.,关于分数阶扩散方程的数值解,Commun非线性Sci-Numer Simul,16,6,2535-2542(2011)·Zbl 1221.65263号 ·doi:10.1016/j.cnsns.2010.09.007
[15] 基尔巴斯,AAA;HM Srivastava;Trujillo,JJ,分数阶微分方程的理论与应用(2006),纽约:Elsevier Science Limited,纽约·Zbl 1092.45003号
[16] Mason,J.,《近似、不定积分和积分变换中的第二、第三和第四类切比雪夫多项式》,《计算应用数学杂志》,49,1-3,169-178(1993)·Zbl 0793.33010号 ·doi:10.1016/0377-0427(93)90148-5
[17] 梅森,JC;Handscomb,DC,Chebyshev多项式(2002),伦敦:查普曼和霍尔出版社,伦敦
[18] Meerschaert,MM;Tadjeran,C.,分数阶平流-扩散流方程的有限差分近似,计算应用数学杂志,172,1,65-77(2004)·Zbl 1126.76346号 ·doi:10.1016/j.cam.2004.01.033
[19] 梅茨勒,R。;Klafter,J.,《异常扩散的随机行走指南:分数动力学方法》,《物理学代表》,339,1,1-77(2000)·兹比尔0984.82032 ·doi:10.1016/S0370-1573(00)00070-3
[20] 英国石油公司Moghaddam;JT马查多;Babaei,A.,回火分数阶微分方程的一种高效计算方法及其应用,计算应用数学,37,3,3657-3671(2018)·Zbl 1405.65092号 ·doi:10.1007/s40314-017-0522-1
[21] O.Nikan。;JT马查多;Golbabai,A。;Nikazad,T.,非线性修正反常扩散过程的数值研究,非线性动力学,97,4,2757-2775(2019)·Zbl 1430.60091号 ·doi:10.1007/s11071-019-05160-w
[22] Podlubny,I.,《分数微分方程:分数导数、分数微分方程及其解的方法和一些应用的介绍》,(1998年),纽约:Elsevier,纽约·Zbl 0922.45001号
[23] 任,L。;Liu,L.,变系数时间分数阶福克-普朗克方程的高阶紧致差分方法,Comput Appl Math,38,3101(2019)·Zbl 1438.65188号 ·doi:10.1007/s40314-019-0865-x
[24] Reyes-Melo,E。;Martinez-Vega,J。;格雷罗·萨拉查,C。;Ortiz-Mendez,U.,分数阶微积分在聚合物材料介电弛豫现象建模中的应用,应用理学杂志,98,2,923-935(2005)·doi:10.1002/app.22057
[25] Saadatmandi,A。;Dehghan,M.,解空间分数阶扩散方程的tau方法,计算应用数学,62,3,1135-1142(2011)·Zbl 1228.65203号 ·doi:10.1016/j.camwa.2011.04.014
[26] Sayevand,K。;Machado,JT,分析分数阶多阶初值和边值问题的一种精确且经济高效的数值方法,计算应用数学,37,5,6582-6600(2018)·Zbl 1424.65100号 ·doi:10.1007/s40314-018-0700-9
[27] Sousa,E.,通过样条函数对分数阶扩散方程进行数值逼近,计算应用数学,62,3,938-944(2011)·Zbl 1228.65153号 ·doi:10.1016/j.camwa.2011.04.015
[28] 斯威兰,N。;纳吉,A。;El-Sayed,AA,解空间分数阶扩散方程的第二类移位切比雪夫多项式,混沌孤子分形,73,141-147(2015)·Zbl 1352.65401号 ·doi:10.1016/j.chaos.2015.01.010
[29] Tadjeran,C。;Meerschaert,MM;Schefler,HP,分数扩散方程的二阶精确数值近似,《计算物理杂志》,213,1,205-213(2006)·Zbl 1089.65089号 ·doi:10.1016/j.jcp.2005.08.008
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。