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具有积分分数拉普拉斯算子的非线性广义波动方程的快速耗散保差分格式。 (英语) Zbl 1471.65102号

摘要:本文构造了具有积分分数阶拉普拉斯算子的二维非线性广义波动方程的耗散-守恒差分格式。我们详细讨论了该方案的离散耗散性质,并分析了该方案的存在性、唯一性和无条件收敛性。此外,我们还发现,空间离散化生成了一个块Toeplitz系数矩阵,它将随着空间网格网格数(M)和分数阶(α)的增加而变差。因此,我们为非线性系统开发了一种有效的线性化迭代算法,使得它可以由带有合适预条件的Krylov子空间解算器进行有效求解,其中在解算器中使用二维快速傅里叶变换来加速矩阵-向量积。通过大量的数值实验,验证了该格式的理论分析和离散耗散规律。

MSC公司:

2006年6月65日 含偏微分方程初值和初边值问题的有限差分方法
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
65T50型 离散和快速傅里叶变换的数值方法
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
35升05 波动方程
35兰特 分数阶偏微分方程
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全文: 内政部

参考文献:

[1] 安斯沃思,M。;Glusa,C.,《多边形域上积分分数Laplacian的高效有限元方法研究》,当代计算数学——庆祝Ian Sloan 80岁生日,17-57(2018),Springer Cham·Zbl 1407.65276号
[2] 阿科斯塔,G。;Borthagaray,J.,《分数拉普拉斯方程:解的正则性和有限元近似》,SIAM J Numer Ana,55,472-495(2017)·Zbl 1359.65246号
[3] Alfimov,G。;Pierantozzi,T。;Vázquez,L.,分数正弦Gordon方程的数值研究,Fract Differ Appl,4153-162(2004)·Zbl 1099.35520号
[4] Akrivis,G。;杜加利斯,V。;Karakashian,O.,关于非线性薛定谔方程二阶时间精度的全离散Galerkin方法,数值数学,59,31-53(1991)·Zbl 0739.65096号
[5] 博尼托,A。;Lei,W。;Pasciak,J.,积分分数Laplacian的数值逼近,数值数学,142,235-278(2019)·Zbl 1414.65032号
[6] 布·W。;Tang,Y。;Wu,Y。;Yang,J.,Crank-Nicolson ADI-Galerkin二维分数阶FitzHugh-Nagumo单域模型有限元方法,应用数学计算,257355-364(2015)·Zbl 1339.65170号
[7] 非线性偏微分方程的应用
[8] 蔡,J。;Zhang,H.,高维阻尼非线性薛定谔方程的有效格式,Appl Math Lett,102,106158(2020)·Zbl 1465.65067号
[9] 蔡伟(Cai,W.)。;江,C。;Wang,Y。;Song,Y.,带Neumann边界条件的二维sine-Gordon方程的结构保持算法,计算物理杂志,395166-185(2019)·Zbl 1452.65393号
[10] 蔡伟(Cai,W.)。;李,H。;Wang,Y.,分区平均向量场方法,《计算物理杂志》,370,25-42(2018)·Zbl 1398.65331号
[11] 克劳迪亚诺,O。;Marcelo,M.,关于指数源二维波动方程解的存在性、均匀衰减率和爆破,Calc-Var偏微分方程,34377-411(2009)·Zbl 1172.35043号
[12] Chan,R。;Michael,K.,Toeplitz系统的共轭梯度法,SIAM Rev,38,427-482(1996)·Zbl 0863.65013号
[13] Chan,R。;Jin,X.,块系统的块预处理器家族,SIAM J Sci Stat Comput,1218-1235(1992)·Zbl 0760.65027号
[14] Chan,T.,Toeplitz系统的最优循环预条件,SIAM科学统计计算杂志,9766-771(1988)·Zbl 0646.65042号
[15] 要显示
[16] Duo,S。;Zhang,Y.,二维和三维积分分数阶拉普拉斯方程的精确数值方法及其应用,计算方法应用机械工程,355639-662(2019)·Zbl 1441.65085号
[17] Duo,S。;Wang,H。;Zhang,Y.,与分数拉普拉斯算子相关的非局部扩散算子的比较研究,离散Contin-Dyn-Syst Ser B,24231-256(2019)·Zbl 1404.45003号
[18] Duo,S。;Van Wyk,H。;Zhang,Y.,分数阶拉普拉斯和分数阶泊松问题的一种新的精确有限差分方法,计算物理杂志,355233-252(2018)·Zbl 1380.65323号
[19] 丁·H。;Li,C.,通过构造新的生成函数实现Riesz导数的高阶数值算法,科学计算杂志,71,759-784(2017)·Zbl 1398.65030号
[20] Darani,M.,二维Klein-Gordon方程的直接无网格局部Petrov-Galerkin方法,Eng-Anal Bound Elem,74,1-13(2017)·Zbl 1403.65066号
[21] 杜琪。;冈茨堡,M。;勒霍克,R。;Zhou,K.,体积约束下非局部扩散问题的分析与逼近,SIAM Rev.,54,667-696(2012)·Zbl 1422.76168号
[22] Di Nezza,E。;帕拉图奇,G。;Valdinoci,E.,分数Sobolev空间的搭便车指南,Bull Sci Math,136521-573(2012)·Zbl 1252.46023号
[23] Davis,P.,循环矩阵(1979),John Wiley&Sons:John Willey&Sons New York-Chichester-Brisbane·Zbl 0418.15017号
[24] Garbaczewski,P。;Stephanovich,V.,《有界域中的分数拉普拉斯人:杀死、反射、审查和禁忌勒维飞行》,《物理评论E》,99,1-22(2019)
[25] 美国格伦纳德。;Szegö,G.,Toeplitz forms and their applications(1984),切尔西出版公司:切尔西出版公司,纽约·Zbl 0611.47018号
[26] 顾,X。;黄,T。;X.赵。;李,H。;Li,L.,用边值方法求解分数阶扩散方程的串型预条件,《计算应用数学杂志》,27773-86(2015)·Zbl 1302.65212号
[27] 胡,D。;蔡伟(Cai,W.)。;Song,Y。;Wang,Y.,空间分数阶非线性阻尼波方程的一种快速实现的四阶耗散-保护算法,Commun非线性Sci-Numer Simul,91,105432(2020)·Zbl 1448.65105号
[28] 郝,Z。;Zhang,Z.,分数阶对流-扩散-反应方程谱Galerkin方法的最佳正则性和误差估计,SIAM J Numer Ana,58,211-233(2020)·Zbl 1475.65121号
[29] 郝,Z。;张,Z。;Du,R.,高维积分分数Laplacian的分数中心差分格式,计算物理杂志(2020)
[30] 黄,Y。;Oberman,A.,分数Laplacian的数值方法:有限差分求积方法,SIAM J Numer Anal,52,3056-3084(2014)·Zbl 1316.65071号
[31] 柯克帕特里克,K。;Lenzmann,E。;Staffilani,G.,《关于具有长程晶格相互作用的离散NLS的连续极限》,《公共数学物理》,317563-591(2013)·Zbl 1258.35182号
[32] .Kullberg,A。;卡斯蒂略-奈杰特,D。;莫拉莱斯,G。;Maggs,J.,二维有界区域分数输运的各向同性模型,Phys Rev E,87,052115(2013)
[33] 李,M。;费先生。;Wang,N。;Huang,C.,不规则凸域上非线性分数阶波动方程的耗散保护有限元方法,数学计算模拟,177,404-419(2020)·Zbl 1510.65246号
[34] 林宏,熊勇,胡琴。具有一致性和收敛性分析的等几何最小二乘配置法。2016年,ArXiv:1601.07244·Zbl 1458.65150号
[35] Lei,S。;Sun,H.,分数阶扩散方程的循环预条件,计算物理杂志,242715-725(2013)·兹比尔1297.65095
[36] 拉斯金,N.,分数薛定谔方程,《物理学评论E》,66,056108(2002)
[37] 李,S。;Vu-Quoc,L.,非线性Klein-Gordon方程一类算法的有限差分-微积分不变结构,SIAM J Numer Ana,32,1839-1875(1995)·Zbl 0847.65062号
[38] Lomdahl,P。;Soerensen,O。;Christiansen,P.,约瑟夫森隧道结中的孤子激发,《物理学评论B》,25,5737(1982)
[39] Minden,V。;Ying,L.,多维分数Laplacian的简单求解器,SIAM J Sci Compute,42,A878-A900(2020)·Zbl 1437.65242号
[40] Macías-Díaz,J.,Fermi-Paca-Ulam-Tsingou介质的分数推广和显式变分格式的理论分析,Commun非线性Sci-Numer Simul,88,105158(2020)·Zbl 1452.65202号
[41] Macías-Díaz,J.,非线性多维分数波方程的数值有效耗散保持隐式方法,J Sci-Comput,77,1-26(2018)·Zbl 1407.65119号
[42] Macías-Díaz,J.,一类具有Riesz空间分数导数的非线性耗散波方程的结构保护方法,计算物理杂志,351,40-58(2017)·Zbl 1380.65164号
[43] Miškinis,P.,非线性非局部可积sine-Gordon方程,数学模型分析,10367-376(2005)·Zbl 1099.35117号
[44] 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》,339,1-77(2000)·Zbl 0984.82032号
[45] 诺切托,R。;Otárola,E。;Salgado,A.,时空分数抛物线问题的PDE方法,SIAM J Numer Ana,54,848-873(2016)·Zbl 1337.26014号
[46] Ng,M.,Toeplitz系统的迭代方法(2004),牛津大学出版社:牛津大学出版社纽约·Zbl 1059.65031号
[47] Ortigueira,M.,通过分数阶中心导数的Riesz势算子和逆,国际数学科学杂志,2006,1-12(2006)·Zbl 1122.26007号
[48] Pasquali,S.,非相对论极限下非线性Klein-Gordon方程的几乎全局存在性,《数学物理杂志》,59011502(2018)·Zbl 1383.35197号
[49] Podlubny,I.,分数微分方程(1999),学术出版社:纽约学术出版社·Zbl 0918.34010号
[50] 拉杜列斯库,V。;比西,G。;Servadei,R.,《非局部分数阶问题的变分方法》(2016),剑桥大学出版社:剑桥大学出版社·Zbl 1356.49003号
[51] 盛C.,马S.,李H.,王L.,贾L.。广义厄米函数及其在谱逼近中的应用。2020年。ArXiv:2002.05334。
[52] Stinga,P.,分数拉普拉斯算子和半群方法用户指南,分数微积分应用手册,235-265(2018),Gruyter:Gruyter Berlin
[53] Sun,H。;Zhang,Y。;巴利亚努,D。;Chen,W。;Chen,Y.,分数微积分在科学和工程中的现实世界应用新集合,Commun非线性科学数字模拟,64213-231(2018)·Zbl 1509.26005号
[54] Saadatmandi,A。;Dehghan,M。;Azizi,M.,一类变系数分数阶对流扩散方程的sinc-Legendre配置法,Commun非线性科学数值模拟,17,4125-4136(2012)·兹比尔1250.65121
[55] 索科洛夫,I。;Klafter,J。;Blumen,A.,分数动力学,《今日物理学》,55,48-54(2002)
[56] Sun,Z.,广义Zakharov方程有限差分法的注记,东南大学学报(英文版),16,84-86(2000)·Zbl 1007.65052号
[57] 田伟。;周,H。;Deng,W.,解空间分数阶扩散方程的一类二阶差分逼近,数学计算,841703-1727(2015)·Zbl 1318.65058号
[58] Valdinoci,E.,从跳远随机行走到分数拉普拉斯算子,Bol-Soc-Esp-Mat-Apl-Sema,49,33-44(2009)·Zbl 1242.60047号
[59] Vu-Quoc,L。;Li,S.,非线性Klein-Gordon方程的不变守恒有限差分算法,计算方法应用机械工程,107,341-391(1993)·Zbl 0790.65101号
[60] Wang,N。;费,M。;黄,C。;Li,M.,二维分数阶非线性波动方程的耗散-守恒Galerkin-Legendre谱方法,计算数学应用,80,17-635(2020)·Zbl 1447.65093号
[61] Xu K.,Darve E.。二维和三维分数拉普拉斯谱方法。2020年,ArXiv:1812.08325·兹比尔1442.65411
[62] 谢军。;张,Z。;Liang,D.,高维非线性分数阶广义波动方程的一种新的四阶能量耗散差分方法,Commun非线性科学数值模拟,78104850(2019)·Zbl 1475.65085号
[63] 萧,A。;Wang,J.,分数阶拉普拉斯薛定谔方程的辛格式,应用数值数学,146469-487(2019)·Zbl 1423.81070号
[64] Ying,B。;刘,Y。;Li,H.,通过构建双边空间分数平流-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-莱特,106347(2020)·Zbl 1436.65162号
[65] 杨琼。;特纳,I。;刘,F。;Ilic,M.,求解二维时空分数阶扩散方程的新型数值方法,SIAM科学计算杂志,331159-1180(2011)·Zbl 1229.35315号
[66] 杨琼。;刘,F。;Turner,I.,带Riesz空间分数阶导数的分数阶偏微分方程的数值方法,应用数学模型,34,200-218(2010)·Zbl 1185.65200号
[67] X.赵。;孙,Z。;Hao,Z.,二维非线性空间分数阶Schrödinger方程的四阶紧致ADI格式,SIAM科学计算杂志,36(2014),A2865-A2886·Zbl 1328.65187号
[68] 曾,F。;刘,F。;李,C。;Burrage,K。;特纳,I。;Anh,V.,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 Ana,52,2599-2622(2014)·Zbl 1382.65349号
[69] 周瑜,离散泛函分析在有限差分方法中的应用(1990),国际学术出版社:北京国际学术出版社
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