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非均匀网格上时间分数阶扩散-波动方程的BDF2型有限元方法
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作者 祝鹏 陈艳萍 徐先宇 《数学物理学报(A辑)》 北大核心 2025年第4期1268-1290,共23页
众所周知,非均匀网格的研究可以有效地解决分数阶Caputo型导数的初值奇异现象.在非均匀网格的理论分析中,经常采用分数阶离散Grönwall不等式进行误差分析,缺乏对误差结构的具体研究.设计了一种非均匀网格上的误差卷积结构,用于分... 众所周知,非均匀网格的研究可以有效地解决分数阶Caputo型导数的初值奇异现象.在非均匀网格的理论分析中,经常采用分数阶离散Grönwall不等式进行误差分析,缺乏对误差结构的具体研究.设计了一种非均匀网格上的误差卷积结构,用于分析时间分数阶扩散-波动方程.将二次插值近似应用于Caputo型导数,通过使用降阶法和离散互补卷积核对Caputo型导数进行离散,得到了非均匀网格上的BDF2型有限元方法.离散互补卷积核在算法的收敛性分析中至关重要,因为它简化有限元理论分析的过程,并基于卷积核和插值估计的性质构建了全局一致性误差估计.详细估计了非均匀网格上BDF2有限元格式的L^(2)-范数误差和H^(1)-范数误差,并通过实验验证了所提出的有限元格式与理论收敛阶之间的一致性. 展开更多
关键词 时间分数阶扩散-波动方程 离散卷积核 BDF2型有限元格式 误差卷积结构 非均匀网格
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Positive definiteness of real quadratic forms resulting from the variable-step L1-type approximations of convolution operators 被引量:1
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作者 Hong-Lin Liao Tao Tang Tao Zhou 《Science China Mathematics》 SCIE CSCD 2024年第2期237-252,共16页
The positive definiteness of real quadratic forms with convolution structures plays an important rolein stability analysis for time-stepping schemes for nonlocal operators. In this work, we present a novel analysistoo... The positive definiteness of real quadratic forms with convolution structures plays an important rolein stability analysis for time-stepping schemes for nonlocal operators. In this work, we present a novel analysistool to handle discrete convolution kernels resulting from variable-step approximations for convolution operators.More precisely, for a class of discrete convolution kernels relevant to variable-step L1-type time discretizations, weshow that the associated quadratic form is positive definite under some easy-to-check algebraic conditions. Ourproof is based on an elementary constructing strategy by using the properties of discrete orthogonal convolutionkernels and discrete complementary convolution kernels. To our knowledge, this is the first general result onsimple algebraic conditions for the positive definiteness of variable-step discrete convolution kernels. Using theunified theory, we obtain the stability for some simple nonuniform time-stepping schemes straightforwardly. 展开更多
关键词 discrete convolution kernels positive definiteness variable time-stepping orthogonal convolution kernels complementary convolution kernels
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无倾斜选择的分子束外延模型变步长BDF2格式的最优误差估计 被引量:3
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作者 张继伟 赵成超 《数学杂志》 2022年第5期377-401,共25页
对于没有斜率选择的分子束外延模型,具有可变时间步长的两步向后微分公式(BDF2)的稳定性和收敛性仍未被完全解决。在本文中,我们首先证明了该BDF2格式在新的相邻时间步长比条件下保持修正的能量耗散定律:r_(k)=τ_(k)/τ_(k-1)≤4.8645-... 对于没有斜率选择的分子束外延模型,具有可变时间步长的两步向后微分公式(BDF2)的稳定性和收敛性仍未被完全解决。在本文中,我们首先证明了该BDF2格式在新的相邻时间步长比条件下保持修正的能量耗散定律:r_(k)=τ_(k)/τ_(k-1)≤4.8645-δ,其中δ>0是给定的任意小常数。然后,我们介绍了最近发展的离散正交卷积(DOC)和离散互补卷积(DCC)核技巧,并在新的比率条件r_(k)≤4.8645-δ下给出了BDF2格式的鲁棒且最优的二阶收敛性。鲁棒性意味着,除了r_(k)≤4.8645-δ以外,收敛性不需要其他时间步长上的约束条件。此外,我们的分析表明,使用一阶BDF1格式计算第一步数值解足以确保全局最优收敛阶。也就是说,选择BDF1格式计算起始步的数值解不会导致全局二阶收敛的损失。数值算例验证了我们的理论分析。 展开更多
关键词 变步长BDF2 离散正交卷积(DOC)核 离散互补卷积(dcc)核 误差卷积结构(ECS) 最优误差估计 分子束外延(MBE)模型
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SHARP ERROR ESTIMATE OF VARIABLE TIME-STEP IMEX BDF2 SCHEME FOR PARABOLIC INTEGRO-DIFFERENTIAL EQUATIONS WITH INITIAL SINGULARITY ARISING IN FINANCE
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作者 Chengchao Zhao Ruoyu Yang +1 位作者 Yana Di Jiwei Zhang 《Journal of Computational Mathematics》 2025年第5期1118-1140,共23页
The recently developed DOC kernels technique has been successful in the stability and convergence analysis for variable time-step BDF2 schemes.However,it may not be readily applicable to problems exhibiting an initial... The recently developed DOC kernels technique has been successful in the stability and convergence analysis for variable time-step BDF2 schemes.However,it may not be readily applicable to problems exhibiting an initial singularity.In the numerical simulations of solutions with initial singularity,variable time-step schemes like the graded mesh are always adopted to achieve the optimal convergence,whose first adjacent time-step ratio may become pretty large so that the acquired restriction is not satisfied.In this paper,we revisit the variable time-step implicit-explicit two-step backward differentiation formula(IMEX BDF2)scheme to solve the parabolic integro-differential equations(PIDEs)with initial singularity.We obtain the sharp error estimate under a mild restriction condition of adjacent time-step ratios r_(k):=T_(k)/T_(k-1)<r_(max)=4.8645(k≥3)and a much mild requirement on the first ratio,i.e.r_(2)>0.This leads to the validation of our analysis of the variable time-step IMEX BDF2 scheme when the initial singularity is dealt by a simple strategy,i.e.the graded mesh t_(k)=T(k/N)^(γ).In this situation,the convergence order of O(N^(-min(2,γα))is achieved,where N denotes the total number of mesh points andαindicates the regularity of the exact solution.This is,the optimal convergence will be achieved by taking%γ_(opt)=2/α.Numerical examples are provided to demonstrate our theoretical analysis. 展开更多
关键词 Implicit-explicit method Two-step backward differentiation formula the discrete orthogonal convolution kernels the discrete complementary convolution kernels Error estimates Variable time-step
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非局部和反常扩散模型的数值方法 被引量:1
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作者 张继伟 《数值计算与计算机应用》 2021年第3期183-214,共32页
由于非局部模型能够描述某些重要物理现象产生的奇性和间断机制,近些年来在很多领域受到广泛应用并对相关学科的发展产生了强有力的推动作用.反常扩散模型作为一个重要的非局部模型,常用于描述反常扩散等现象.非局部模型的非局部性和多... 由于非局部模型能够描述某些重要物理现象产生的奇性和间断机制,近些年来在很多领域受到广泛应用并对相关学科的发展产生了强有力的推动作用.反常扩散模型作为一个重要的非局部模型,常用于描述反常扩散等现象.非局部模型的非局部性和多尺度特征不仅推动了新的数学理论的发现,而且为现有的离散和局部连续模型及其联系提供了新的视角.尽管已经有很多成果,但无论是从数学方法和基础理论还是数值方法角度来看,多尺度非局部和反常扩散模型都有广阔的研究空间.进一步发展和完善基础数学理论和方法,在真实的解正则性条件下发展新的高效数值格式,尤其是具有稳定、收敛、满足渐近兼容的数值格式是一个研究重点.在过去的几年里,本文作者一直致力于非局部模型的数学理论和数值方法研究,在人工边界条件设计、非局部极值原理和渐近兼容的数值格式等方面,取得了一些有意义的研究成果.在反常扩散方程的数值分析方面,发展了Caputo导数的快速算法和离散分数阶类型的Gromvall不等式,并提出了误差卷积结构的思想来表示局部相容误差,为一类常用变步长数值格式的最优误差估计提供了一些基础分析框架.要完全解决非局部和反常扩散模型中的各种数学问题还有相当长的距离,需要进一步深入研究.希望本文能为推动多尺度非局部模型和反常扩散模型的基础理论和算法的深入发展起到抛砖引玉的作用. 展开更多
关键词 非局部模型 近场动力学 毗域动力学 人工边界条件 渐近兼容格式 误差分析 非均匀步长 GRONWALL不等式 互补卷积核
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