1 引言
整数阶方程的局部性行为[1 ,2 ] 造成了在理论分析和数值模拟上的巨大困难, 因此对分数阶偏微分方程进行研究有着重要意义. 分数阶偏微分方程在经济、材料和生物学等各个领域有着广泛应用. 具体应用于分数阶布朗运动下的动力学模型[3 ] 、多孔介质中的扩散现象 (如亚扩散和超扩散)[4 ] 以及污染物浓度模型[5 ] 等. 在求解分数阶偏微分方程时, 主要的挑战在于离散具有非局部效应的分数阶导数, 本文提出了一个框架来设计快速稳定的算法解决此类问题.
Caputo 型导数作为常见的分数阶算子, 常常被用于时间分数阶方程的数值离散过程中. 近年来, 许多学者[6 ,7 ] 针对均匀网格和等级网格的 Caputo 型导数进行研究, 主要是针对 $t = 0$ 附近的弱奇异性进行分析. Jannelli[8 ] 针对拟均匀网格下非线性两点分数阶边值问题进行误差分析, 通过数值实验展示了其一致性、稳定性和收敛性. Li 和 Sun 等[9 ] 在均匀网格和等级网格上采用 $s = {t^\beta }$ 进行变量替换, 处理 $t = 0$ 附近解的弱奇异性, 数值结果表明收敛阶为 $2-\alpha$ 阶.
具有 Caputo 型导数的扩散-波动方程是一种经典的时间分数阶偏微分方程. 对于此类方程的研究方法和数值格式很多, 常在时间上采用 L1 格式、L2-${1_\sigma}$ 格式、L2格式等, 在空间上采用有限差分方法和有限元方法进行求解. 如 Yu 和 Sun 等[10 ] 采用快速算法和 L1 格式来求解等级网格上的时间分数阶扩散方程, 数值结果表明收敛阶为 $2-\alpha$ 阶. Feng 和 Liu[11 ] 采用 L1 型有限元方法求解多项时间分数阶扩散-波动方程, 给出了数值格式的稳定性和收敛性分析. Hu 和 Alikhanov 等[12 ] 采用 L2 型有限元格式来求解等级网格上的时间分数阶扩散方程, 给出了数值格式的稳定性分析. 由于 BDF2 格式是通过二次函数进行插值, 收敛阶数为 $3-\alpha$ 阶并可推广至 2 阶, 具有较高的精度, 本文重点研究 BDF2 格式求解时间分数阶扩散-波动方程.
Qiao 和 Guo 等[13 ] 在等级网格上采用 BDF2 格式求解二维时间分数阶积分-微分方程, 空间采用 ADI 算法, 得到了该方程的全离散隐式格式, 证明了 $L^2$ - 范数下的稳定性和收敛性. Yin 和 Liu 等[14 ] 在均匀网格上采用 BDF2 格式求解多项时间分数阶扩散-波动方程, 空间上采用有限元方法, 结合移位卷积求积方法, 证明了$L^2$ - 范数下的无条件稳定性. 在构造 BDF2 等高阶数值格式时, 往往通过指数和近似来进行理论分析. Liao等[15 ] 在非均匀网格上采用 L2-${1_\sigma}$ 格式求解时间分数阶次扩散方程, 通过指数和近似进行误差卷积结构 (ECS) 分析, 空间上采用有限差分法, 证明了 $L^2$ - 范数下的收敛性, 收敛阶数为 2 阶.
截止到目前, 尚未有在非均匀网格上采用 BDF2 有限元方法求解时间分数阶扩散-波动方程的论文, 这也是本文研究的主要目的. 由于有限元方法的理论分析较为完善, 因此选择该方法求解带有初值奇异性的 Caputo 型导数是合适的. 在现有求解分数阶扩散-波动方程的理论分析中, 往往需要离散分数阶 Gr$\rm\ddot o$ nwall 不等式证明算法的稳定性与收敛性. 在本文中, 提出了一种不同于传统文献[16 -18]的数值方法, 将 BDF2 公式与互补卷积 (DCC) 核[19 ] 相结合, 以证明有限元格式的稳定性和收敛性. 本文利用时间的非均匀 BDF2 公式和空间的有限元方法来实现离散化的数值格式. 分析了离散化有限元公式在 $L^2$ - 范数和 $H^1$ - 范数下的稳定性和误差, 通过数值算例验证了其在时间和空间上的收敛阶. 数值结果表明, 该有限元方法在时间和空间上都达到了最优收敛阶, 具有较高的精度和计算效率.
本文中的模型是一个时间分数阶超扩散波动方程[20 ,21 ] , 方程的具体形式如下
(1.1) $_0^CD_t^\beta v\left( {x,t} \right) = \Delta v\left( {x,t} \right) + f\left( {x,t} \right),\quad x \in \Omega,\quad t \in \left( {0,T} \right],$
(1.2) $v\left( {x,0} \right) = {g_1}\left( x \right),\quad {v_t}\left( {x,0} \right) = {g_2}\left( x \right),\quad x \in \overline \Omega.$
其中 $\Omega = {\left( {0,L} \right)^2} \subset {R^2}$ 是方程 (1.1) 中的区域, $\overline \Omega$ 是方程 (1.2) 的边界条件. $_0^CD_t^\beta v\left( t \right)$ 表示 $\beta,$ $ \left( {1 < \beta < 2} \right)$ 阶 Caputo 分数阶导数, 具体形式如下
$_0^CD_t^\beta v\left( t \right) = \int _0^t {{\omega _{2 - \beta }}\left( {t - s} \right)\ddot v\left( s \right){\rm d}s},\quad {\omega _\gamma }\left( t \right) = \frac{{{t^{\gamma - 1}}}}{{\Gamma \left( \gamma \right)}}.\ $
本文的其余部分组织如下. 在第二节中, 首先对 Caputo 阶导数进行离散化, 并构造了非均匀网格上的 BDF2 型公式. 利用离散互补卷积核的相关性质和引理进行误差分析. 第 3 节构建了一个时间非均匀有限元公式, 并对时间收敛阶进行了理论分析. 第 4 节分析了 $L^2$ - 范数和 $H^1$ - 范数下有限元格式的稳定性和收敛性. 在第 5 节中, 通过数值实验验证理论分析结果. 本文在第 6 节中提供了总结和展望.
2 Caputo 导数的离散形式
在本节中, 我们的主要思想是使用二次插值函数构造非均匀半网格上离散 Caputo 导数的 BDF2 型公式. 首先, 我们采用了一些与离散系数核和离散卷积核相关的引理. 然后, 我们根据离散卷积核的性质分析了非均匀网格上的截断误差.
2.1 非均匀网格上的 BDF2 型公式
对于非均匀时间层 $0 = {t_0} < {t_1} < {t_2} < \cdots < {t_N} = T,$ 设 $N$ 为正整数, 设 $ {\tau _n} = {t_n} - {t_{n - 1}}$ 为第 $n$ 个步长并且${\tau _{n - \frac{1}{2}}} = \frac{{{\tau _n} + {\tau _{n - 1}}}}{2},{\tau _{\frac{1}{2}}} = \frac{{{\tau _1}}}{2},$ 设 ${t_{n - \frac{1}{2}}} = {t_{n - 1}} + \frac{{{\tau _n}}}{2},{t_{ - \frac{1}{2}}} = {t_0}.$ 设 ${\rho _n} = {\tau} _{n} / {\tau}_{n+1} $ 为步长比. 接下来, 令 ${\Pi _{1,n}}u$ 和 ${\Pi _{2,n}}u$ 分别为节点的线性插值和二次插值函数, 如参考文献[22 ]所定义,
(2.1) $\begin{align*} {\left( {{\Pi _{1,n}}u} \right)^\prime }\left( {{t_n}} \right) = \frac{{{\nabla _\tau }{u^n}}}{{{\tau _n}}},{\left( {{\Pi _{2,n}}u} \right)^\prime }\left( {{t_n}} \right) = \frac{{{\nabla _\tau }{u^n}}}{{{\tau _n}}} + \frac{{2\left( {t - {t_{n - \frac{1}{2}}}} \right)}}{{{\tau _n}\left( {{\tau _n} + {\tau _{n + 1}}} \right)}}\left( {\rho {}_n{\nabla _\tau }{u^{n + 1}} - {\nabla _\tau }{u^n}} \right).\ \end{align*}$
(2.2) $\begin{align*} {\left( {{\Pi _{1,n}}{u^{n - \frac{1}{2}}}} \right)^\prime }\ &=\frac{{{\nabla _\tau }{u^{n - \frac{1}{2}}}}}{{{\tau _{n - \frac{1}{2}}}}} = \frac{{{u^{n - \frac{1}{2}}} - {u^{n - \frac{3}{2}}}}}{{{\tau _{n - \frac{1}{2}}}}}, \\ {\left( {{\Pi _{2,n}}{u^{n - \frac{1}{2}}}} \right)^\prime }\ &=\frac{{{\nabla _\tau }{u^{n - \frac{1}{2}}}}}{{{\tau _{n - \frac{1}{2}}}}} + \frac{{2\left( {t - {t_{n - 1}}} \right)}}{{{\tau _{n - \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{n - \frac{1}{2}}} + {\tau _{n + \frac{1}{2}}}} \right)}}\left( {{\rho _{n - \frac{1}{2}}}{\nabla _\tau }{u^{n + \frac{1}{2}}} - {\nabla _\tau }{u^{n - \frac{1}{2}}}} \right) \\ &=\frac{{{u^{n - \frac{1}{2}}} - {u^{n - \frac{3}{2}}}}}{{{\tau _{n - \frac{1}{2}}}}} + \frac{{2\left( {t - {t_{n - 1}}} \right)}}{{{\tau _{n - \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{n - \frac{1}{2}}} + {\tau _{n + \frac{1}{2}}}} \right)}}\left( {{\rho _{n - \frac{1}{2}}}\left( {{u^{n + \frac{1}{2}}} - {u^{n - \frac{1}{2}}}} \right)} \right. \\ & -\left. {\left( {{u^{n - \frac{1}{2}}} - {u^{n - \frac{3}{2}}}} \right)} \right).\ \end{align*}$
设 ${u^n} \approx u\left( {{t_n}} \right)$ 为点 ${t_n}$ 处方程的数值近似. 其中, 相关算子如下
$ {u^{n - \frac{1}{2}}} = \frac{1}{2}\left( {{u^n} + {u^{n - 1}}} \right),\quad {\nabla _\tau }{u^{n - \frac{1}{2}}} = {u^{n - \frac{1}{2}}} - {u^{n - \frac{3}{2}}}.\ $
(2.3) $\begin{align*} {\tau _{n{\rm{ - }}1}} \le {\tau _n},\quad 2 \le n \le N.\ \end{align*}$
我们在闭区间$\left[ {{t_{k - \frac{3}{2}}},{t_{k - \frac{1}{2}}}} \right]$ 上构造 BDF2 公式, 以近似 Caputo 型导数 $D_t^\alpha u\left( {x,{t_n}} \right),\left( {0 < \alpha \le 1} \right).$ 从方程 (2.2) 可以得到以下方程.
(2.4) $\begin{align*} {}_0^CD_t^\alpha u\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}}} \right)\ &=\int _{{t_{n - \frac{3}{2}}}}^{{t_{n - \frac{1}{2}}}} {{\omega _{1 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - s} \right){{\left( {{\Pi _{1,n}}u} \right)}^\prime }\left( s \right){\rm d}s} \\ & + \sum _{k = 1}^{n - 1} {\int _{{t_{k - \frac{3}{2}}}}^{{t_{k - \frac{1}{2}}}} {{\omega _{1 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - s} \right){{\left( {{\Pi _{2,k}}u} \right)}^\prime }\left( s \right){\rm d}s} } \\ &= a_0^{\left( n \right)}{\nabla _\tau }{u^{n - \frac{1}{2}}} + \sum _{k = 1}^{n - 1} {\left( {a_{n - k}^{\left( n \right)}{\nabla _\tau }{u^{k - \frac{1}{2}}} + {\rho _{k - \frac{1}{2}}}b_{n - k}^{\left( n \right)}{\nabla _\tau }{u^{k + \frac{1}{2}}}} \right.} - \left. {b_{n - k}^{\left( n \right)}{\nabla _\tau }{u^{k - \frac{1}{2}}}} \right) \\ &= \sum _{k = 1}^n {d_{n - k}^{\left( n \right)}} {\nabla _\tau }{u^{k - \frac{1}{2}}} = D_\tau ^\alpha {u^{n - \frac{1}{2}}},\quad n \ge 1.\ \end{align*}$
其中 ${ \nabla _\tau }{u^{\frac{1}{2}}} = \frac{1}{2}\left( {{u^1} - {u^0}} \right),$ 并且离散系数核 $a_{n - k}^{\left( n \right)},b_{n - k}^{\left( n \right)}$ 的具体形式如下
(2.5) $\begin{align*} a_0^{\left( n \right)}\ &=\frac{1}{{{\tau _{n - \frac{1}{2}}}}}\int _{{t_{n - \frac{3}{2}}}}^{{t_{n - \frac{1}{2}}}} {{\omega _{1 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - s} \right){\rm d}s},\\ a_{n - k}^{\left( n \right)}\ &=\frac{1}{{{\tau _{k - \frac{1}{2}}}}}\int _{{t_{k - \frac{3}{2}}}}^{{t_{k - \frac{1}{2}}}} {{\omega _{1 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - s} \right){\rm d}s},1 \le k \le n - 1, \\ b_{n - k}^{\left( n \right)}\ &=\frac{2}{{{\tau _{k - \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{k - \frac{1}{2}}} + {\tau _{k + \frac{1}{2}}}} \right)}}\int _{{t_{k - \frac{3}{2}}}}^{{t_{k - \frac{1}{2}}}} {\left( {s - {t_{k - 1}}} \right){\omega _{1 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - s} \right){\rm d}s}.\ \end{align*}$
具有紧致形式的离散系数核 $ d_{n - k}^{\left( n \right)}$ 的定义如下
$d_0^{\left( 1 \right)} = a_0^{\left( 1 \right)},\quad n = 1,\ $
(2.6) $\begin{align*} d_{n - k}^{\left( n \right)} = \left\{ \begin{array}{l} a_0^{\left( n \right)} + {\rho _{n - \frac{3}{2}}}b_1^{\left( n \right)},\quad k = n,\\ a_{n - k}^{\left( n \right)} + {\rho _{k - \frac{3}{2}}}b_{n - k + 1}^{\left( n \right)} - b_{n - k}^{\left( n \right)},\quad 2 \le k \le n - 1,\\ a_{n - 1}^{\left( n \right)} - b_{n - 1}^{\left( n \right)},\quad k = 1. \end{array} \right.\ \end{align*}$
以下引理描述了离散系数核 $d_{n - k}^{\left( n \right)}$ 的性质, 给出了正定性和边界估计.
引理2.1 对于任意在 (2.6) 式定义的 $d_{n - k}^{\left( n \right)}$ , 成立下式
(1)$d_k^{\left( n \right)} > 0,0 \le k \le n - 1$ ;
(2)$\frac{{d_0^{\left( k \right)}}}{{d_{k - 2}^{\left( k \right)}}} < \frac{{{{\left( {{t_{k - \frac{1}{2}}} - {t_{\frac{1}{2}}}} \right)}^\alpha }}}{{\left( {1 - \alpha } \right){{\left( {{\tau _{k - \frac{1}{2}}}} \right)}^\alpha }}},2 \le k \le n$ ;
(3)$0 < {\omega _{1 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - {t_{k - \frac{1}{2}}}} \right) - {\omega _{1 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - {t_{k - \frac{3}{2}}}} \right) \le d_{n - k - 1}^{\left( n \right)} - d_{n - k}^{\left( n \right)},2 \le k \le n - 1$ .
证 这一结果的证明来自参考文献[23 ,引理 3.1].
2.2 DCC核的性质
离散卷积核在误差卷积结构 (ECS) 的理论分析中尤为重要. 在本节中, 我们将介绍离散卷积核 $D_{n - k}^{\left( n \right)}$ 的重要性质和引理, 以获得非均匀半网格下的全局一致性误差. 以下方程提供了离散卷积核的一般表达式,
(2.7) $\begin{align*} D_0^{\left( n \right)} = \frac{1}{{d_0^{\left( n \right)}}},D_{n - k}^{\left( n \right)} = \frac{1}{{d_0^{\left( k \right)}}}\sum\limits_{j = k + 1}^n {\left( {d_{j - k - 1}^{\left( j \right)} - d_{j - k}^{\left( j \right)}} \right)D_{n - j}^{\left( n \right)}},1 \le k \le n - 1.\ \end{align*}$
引理 2.2 给出了离散系数核 $D_{n - k}^{\left( n \right)}$ 的下界及其对步长 ${\rho _k}$ 的限制.
引理2.2 假设离散系数核 $D_{n - k}^{\left( n \right)}$ 有以下性质:
(A1) 当 $1 \le k \le N,$ 存在一个正常数 ${c_1} > 0,$ 满足,
$\begin{align*} d_{n - k}^{\left( n \right)} \ge \frac{1}{{{c_1}}}\int _{{t_{k - \frac{3}{2}}}}^{{t_{k - \frac{1}{2}}}} {\frac{{{\omega _{1 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - s} \right)}}{{{\tau _{k - \frac{1}{2}}}}}{\rm d}s.} \ \end{align*}$
(A2) 当 $1 \le k \le N - 1,$ 存在一个正数 $\rho$ 满足步长比 ${\rho _{k - \frac{1}{2}}} \le \rho.$
证 首先我们对(A1)假设条件加以证明. 当 $k = 1$ 时, 由 (2.6) 式和中值定理得到,
(2.9) $\begin{align*} d_{n - 1}^{\left( n \right)}\ &= a_{n - 1}^{\left( n \right)} - b_{n - 1}^{\left( n \right)}\nonumber \\ &= \frac{1}{{{\tau _{\frac{1}{2}}}}}\int _{{t_{ - \frac{1}{2}}}}^{{t_{\frac{1}{2}}}} {{\omega _{1 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - s} \right)}{\rm d}s - \frac{2}{{{\tau _{\frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{\frac{1}{2}}} + {\tau _{\frac{3}{2}}}} \right)}}\int _{{t_{ - \frac{1}{2}}}}^{{t_{\frac{1}{2}}}} {s{\omega _{1 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - s} \right)}{\rm d}s \nonumber \\ &\ge \left( {\frac{1}{{{\tau _{\frac{1}{2}}}}} - \frac{2}{{{\tau _{\frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{\frac{1}{2}}} + {\tau _{\frac{3}{2}}}} \right)}}{t_{\frac{1}{2}}}} \right)\int _{{t_{ - \frac{1}{2}}}}^{{t_{\frac{1}{2}}}} {{\omega _{1 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - s} \right)}{\rm d}s \nonumber \\ &\ge \left( {\frac{1}{{{\tau _{\frac{1}{2}}}}} - \frac{2}{{{\tau _{\frac{1}{2}}} + {\tau _{\frac{3}{2}}}}}} \right)\int _{{t_{ - \frac{1}{2}}}}^{{t_{\frac{1}{2}}}} {{\omega _{1 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - s} \right)}{\rm d}s \nonumber \\ &\ge \left( {\frac{{{\tau _{\frac{3}{2}}} - {\tau _{\frac{1}{2}}}}}{{{\tau _{\frac{1}{2}}} + {\tau _{\frac{3}{2}}}}}} \right)\int _{{t_{ - \frac{1}{2}}}}^{{t_{\frac{1}{2}}}} {{\omega _{1 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - s} \right)}{\rm d}s,\ \end{align*}$
由 (2.3) 式, 此时取 ${c_1} = \frac{{{\tau _{\frac{1}{2}}} + {\tau _{\frac{3}{2}}}}}{{{\tau _{\frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{\frac{3}{2}}} - {\tau _{\frac{1}{2}}}} \right)}} > 0,$ (2.8) 式即可得证. 当 $k = n$ 时, 由 (2.6) 式和 ${t_{n - \frac{5}{2}}} = {t_{n - 2}} - \frac{{{\tau _{n - \frac{3}{2}}}}}{2},$ 得到下式
(2.10) $\begin{align*} d_0^{\left( n \right)}\ &= a_0^{\left( n \right)} + {\rho _{n - \frac{3}{2}}}b_1^{\left( n \right)}\nonumber \\ &= \frac{1}{{{\tau _{n - \frac{1}{2}}}}}\int _{{t_{n - \frac{3}{2}}}}^{{t_{n - \frac{1}{2}}}} {{\omega _{1 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - s} \right)}{\rm d}s \nonumber \\ & + \frac{{2{\rho _{n - \frac{3}{2}}}}}{{{\tau _{n - \frac{3}{2}}}\left( {{\tau _{n - \frac{3}{2}}} + {\tau _{n - \frac{1}{2}}}} \right)}}\int _{{t_{n - \frac{5}{2}}}}^{{t_{n - \frac{3}{2}}}} {\left( {s - {t_{n - 2}}} \right){\omega _{1 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - s} \right)}{\rm d}s \nonumber \\ &\ge \frac{1}{{{\tau _{n - \frac{1}{2}}}}}\int _{{t_{n - \frac{3}{2}}}}^{{t_{n - \frac{1}{2}}}} {{\omega _{1 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - s} \right)}{\rm d}s \nonumber \\ & + \frac{{2\left( {{t_{n - \frac{5}{2}}} - {t_{n - 2}}} \right)}}{{{\tau _{n - \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{n - \frac{3}{2}}} + {\tau _{n - \frac{1}{2}}}} \right)}}\int _{{t_{n - \frac{5}{2}}}}^{{t_{n - \frac{3}{2}}}} {{\omega _{1 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - s} \right)}{\rm d}s \nonumber \\ &\ge \frac{1}{{{\tau _{n - \frac{1}{2}}}}}\int _{{t_{n - \frac{3}{2}}}}^{{t_{n - \frac{1}{2}}}} {{\omega _{1 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - s} \right)}{\rm d}s - \frac{{{\tau _{n - \frac{3}{2}}}}}{{{\tau _{n - \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{n - \frac{3}{2}}} + {\tau _{n - \frac{1}{2}}}} \right)}}\int _{{t_{n - \frac{5}{2}}}}^{{t_{n - \frac{3}{2}}}} {{\omega _{1 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - s} \right)}{\rm d}s \nonumber \\ &\ge \left( {\frac{1}{{{\tau _{n - \frac{3}{2}}} + {\tau _{n - \frac{1}{2}}}}}} \right)\int _{{t_{ - \frac{1}{2}}}}^{{t_{\frac{1}{2}}}} {{\omega _{1 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - s} \right)}{\rm d}s,\ \end{align*}$
由 (2.3) 式, 此时取 ${c_1} = \frac{1}{{{\tau _{n - \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{n - \frac{3}{2}}} + {\tau _{n - \frac{1}{2}}}} \right)}} > 0,$ (2.8) 式即可得证. 当 $2 \le k \le n - 2$ 时, 由 (2.6) 式得到下式
(2.11) $\begin{align*} d_{n - k}^{\left( n \right)}\ &= a_{n - k}^{\left( n \right)} + {\rho _{k - \frac{3}{2}}}b_{n - k + 1}^{\left( n \right)} - b_{n - k}^{\left( n \right)} \nonumber \\ &= \frac{1}{{{\tau _{k - \frac{1}{2}}}}}\int _{{t_{k - \frac{3}{2}}}}^{{t_{k - \frac{1}{2}}}} {{\omega _{1 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - s} \right)}{\rm d}s \nonumber \\ & + \frac{{2{\rho _{k - \frac{3}{2}}}}}{{{\tau _{k - \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{k - \frac{1}{2}}} + {\tau _{k + \frac{1}{2}}}} \right)}}\int _{{t_{k - \frac{3}{2}}}}^{{t_{k - \frac{1}{2}}}} {\left( {s - {t_{k - 1}}} \right){\omega _{1 - \alpha }}\left( {{t_{n + \frac{1}{2}}} - s} \right)}{\rm d}s \nonumber \\ & - \frac{2}{{{\tau _{k - \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{k - \frac{1}{2}}} + {\tau _{k + \frac{1}{2}}}} \right)}}\int _{{t_{k - \frac{3}{2}}}}^{{t_{k - \frac{1}{2}}}} {\left( {s - {t_{k - 1}}} \right){\omega _{1 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - s} \right)}{\rm d}s \nonumber \\ &\ge \frac{1}{{{\tau _{k - \frac{1}{2}}}}}\int _{{t_{k - \frac{3}{2}}}}^{{t_{k - \frac{1}{2}}}} {{\omega _{1 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - s} \right)}{\rm d}s - \frac{{{\tau _{k - \frac{3}{2}}}}}{{{\tau _{k - \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{k - \frac{1}{2}}} + {\tau _{k + \frac{1}{2}}}} \right)}}\int _{{t_{k - \frac{3}{2}}}}^{{t_{k - \frac{1}{2}}}} {{\omega _{1 - \alpha }}\left( {{t_{n + \frac{1}{2}}} - s} \right)}{\rm d}s \nonumber \\ & - \frac{{{\tau _k}}}{{{\tau _{k - \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{k - \frac{1}{2}}} + {\tau _{k + \frac{1}{2}}}} \right)}}\int _{{t_{k - \frac{3}{2}}}}^{{t_{k - \frac{1}{2}}}} {{\omega _{1 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - s} \right)}{\rm d}s \nonumber \\ &\ge \left( {\frac{1}{{{\tau _{k - \frac{1}{2}}}}} - \frac{{{\tau _{k - \frac{3}{2}}}}}{{{\tau _{k - \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{k - \frac{1}{2}}} + {\tau _{k + \frac{1}{2}}}} \right)}} - \frac{{{\tau _k}}}{{{\tau _{k - \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{k - \frac{1}{2}}} + {\tau _{k + \frac{1}{2}}}} \right)}}} \right)\int _{{t_{k - \frac{3}{2}}}}^{{t_{k - \frac{1}{2}}}} {{\omega _{1 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - s} \right)}{\rm d}s \nonumber \\ &\ge \left( {\frac{{{\tau _{k + 1}} - {\tau _{k - 2}}}}{{2{\tau _{k - \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{k - \frac{1}{2}}} + {\tau _{k + \frac{1}{2}}}} \right)}}} \right)\int _{{t_{k - \frac{3}{2}}}}^{{t_{k - \frac{1}{2}}}} {{\omega _{1 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - s} \right)}{\rm d}s. \end{align*}$
由 (2.3) 式, 此时取 ${c_1} = \frac{{{\tau _{k + 1}} - {\tau _{k - 2}}}}{{2\tau _{k - \frac{1}{2}}^2\left( {{\tau _{k - \frac{1}{2}}} + {\tau _{n + \frac{1}{2}}}} \right)}} > 0,$ 综上 (2.8) 式即可得证. (A2)假设是对步长比的限制, 由参考文献[22, 引理 $2.1$ ]可证, 以下引理证明了离散卷积核在非均匀网格上具有正定性.
引理2.3 当 $1 \le k \le n,$ 在 $(2.7)$ 式中定义的离散卷积核 $D_{n - k}^{\left( n \right)}$ 是正定的, 并且满足以下方程,
(2.12) $\begin{align*} \sum _{j = k}^n {D_{n - j}^{\left( n \right)}d_{j - k}^{\left( j \right)}} = 1.\ \end{align*}$
(2.13) $\begin{align*} \sum _{j = 1}^{n - 1} {D_{n - j}^{\left( n \right)}{\omega _{1 + m\alpha - \alpha }}\left( {{t_j}} \right)} \le {\omega _{1 + m\alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}}} \right),n \ge 1,m \ge 1.\ \end{align*}$
证 方程式 $(2.12)$ - $(2.13)$ 的证明可以在参考文献[23 ,引理 2.1]中找到.
(B1) 假设 A2 中的最大时间步长为 $\rho = 7/4$ , BDF2 格式中的时间步长为 $\sigma = 1 - {\alpha / 2}.$
(B2) 存在一个正常数 ${C_\gamma }$ 满足, $\tau_k \leq C_\gamma \tau \min \left\{1, t_k^{1-1 / \gamma}\right\}$ , $1 \le k \le N,{t_k} \le {C_\gamma }{t_{k - 1}},$ 并且 $\tau_k / t_k \leq C_\gamma \tau_{k-1} / t_{k-1}, 2 \leq k \leq N.$
为了分析截断误差, 以下引理给出了一个具有积分型余项的插值误差估计.
引理2.4 假设 $p \in {C^2}\left( {\left( {0,T} \right]} \right),1 \le k \le n,$ 并且令 ${\Pi _{1,k}}p\left( t \right)$ 和 ${\Pi _{2,k}}p\left( t \right) $ 是在区间 $\left[ {{t_{k - \frac{3}{2}}},{t_{k - \frac{1}{2}}}} \right]$ 上关于 $p\left( t \right)$ 的线性插值和二次插值. 线性插值误差表达式如下,
(2.14) $\begin{align*} p\left( t \right) - {\Pi _{1,k}}p\left( t \right) = \int _{{t_{k - \frac{3}{2}}}}^{{t_{k - \frac{1}{2}}}} {{\chi _{1k}}\left( {t,\lambda } \right)\ddot p\left( \lambda \right)}{\rm d}\lambda,t \in \left[ {{t_{k - \frac{3}{2}}},{t_{k - \frac{1}{2}}}} \right].\ \end{align*}$
(2.15) $\begin{align*} p\left( t \right) - {\Pi _{2,k}}p\left( t \right) = \int _{{t_{k - \frac{3}{2}}}}^{{t_{k - \frac{1}{2}}}} {{\chi _{2k}}\left( {t,\lambda } \right)\ddot p\left( \lambda \right)}{\rm d}\lambda,t \in \left[ {{t_{k - \frac{3}{2}}},{t_{k - \frac{1}{2}}}} \right].\ \end{align*}$
其中 ${\chi _{1k}} = \max \left\{ {t - \lambda,0} \right\} - \frac{{t - {t_{k - \frac{3}{2}}}}}{{{\tau _{k - \frac{1}{2}}}}}\left( {{t_{k - \frac{1}{2}}} - \lambda } \right)$ 是 Peano 核, 满足,
$- \frac{{{t_{k - \frac{1}{2}}} - \lambda }}{{{\tau _{k - \frac{1}{2}}}}}\left( {t - {t_{k - \frac{3}{2}}}} \right) \le {\chi _{1k}} \le 0,t,\lambda \in \left[ {{t_{k - \frac{3}{2}}},{t_{k - \frac{1}{2}}}} \right].\ $
$\begin{align*} {\chi _{2k}}\ &=\max \left\{ {t - \lambda,0} \right\} - \frac{{t - {t_{k - \frac{3}{2}}}}}{{{\tau _{k - \frac{1}{2}}}}}\left( {{t_{k - \frac{1}{2}}} - \lambda } \right) - \frac{{2\left( {t - {t_{k - 1}}} \right)}}{{{\tau _{k - \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{k - \frac{1}{2}}} + {\tau _{k + \frac{1}{2}}}} \right)}}\ \\ & \left( {{\rho _{k - \frac{1}{2}}}\frac{{\left( {t - {t_{k - \frac{1}{2}}}} \right)}}{{{\tau _{k + \frac{1}{2}}}}}\left( {{t_{k + \frac{1}{2}}} - \lambda } \right) - \frac{{t - {t_{k - \frac{3}{2}}}}}{{{\tau _{k - \frac{1}{2}}}}}\left( {{t_{k - \frac{1}{2}}} - \lambda } \right)} \right),\ \end{align*}$
$\begin{align*} & - \frac{{t - {t_{k - \frac{3}{2}}}}}{{{\tau _{k - \frac{1}{2}}}}}\left( {{t_{k - \frac{1}{2}}} - \lambda } \right) - \frac{{2{\rho _{k - \frac{1}{2}}}\left( {t - {t_{k - 1}}} \right)\left( {t - {t_{k - \frac{1}{2}}}} \right)}}{{{\tau _{k - \frac{1}{2}}}{\tau _{k + \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{k - \frac{1}{2}}} + {\tau _{k + \frac{1}{2}}}} \right)}}\left( {{t_{k + \frac{1}{2}}} - \lambda } \right)\ \\ & + \frac{{2\left( {t - {t_{k - 1}}} \right)\left( {t - {t_{k - \frac{3}{2}}}} \right)}}{{\tau _{k - \frac{1}{2}}^2\left( {{\tau _{k - \frac{1}{2}}} + {\tau _{k + \frac{1}{2}}}} \right)}}\left( {{t_{k - \frac{1}{2}}} - \lambda } \right) \le {\chi _{2k}} \le 0,t,\lambda \in \left[ {{t_{k - \frac{3}{2}}},{t_{k - \frac{1}{2}}}} \right].\ \end{align*}$
证 引理 2.4 的证明过程可以从参考文献[23 ,引理 3.1]中获得.
我们将 $n \ge 1$ 时方程 (2.4) 的局部截断误差定义如下
${\xi ^n} = {}_0^CD_t^\alpha u\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}}} \right) - D_\tau ^\alpha {u^{n - \frac{1}{2}}} = \sum\limits_{k = 1}^n {\xi _k^n}.\ $
下面我们提供了在非均匀半网格上估计全局近似误差 $\sum\limits_{j = 1}^n {D_{n - j}^{\left( n \right)}} \left| {{\xi ^j}} \right|$ 的相关引理.
引理2.5 假设 $u \in {C^2}\left( {\left( {0,T} \right]} \right),$ 其中 $ \int _0^T {t\left| {\ddot u\left( t \right)} \right|}{\rm d}t < \infty,\int _0^T {{t^2}\left| {\ddot u\left( t \right)} \right|}{\rm d}t < \infty.$ 如果非均匀网格满足 (2.3) 式, 我们有
$\begin{aligned} \sum _{j = 1}^n {D_{n - j}^{\left( n \right)}\left| {{\xi ^j}} \right|} \ & \le 2\sum _{j = 1}^n {D_{n - j}^{\left( n \right)}} d_0^{\left( j \right)}\int _{{t_{j - \frac{3}{2}}}}^{{t_{j - \frac{1}{2}}}} {\left( {2\left( {t - {t_{j - \frac{3}{2}}}} \right) - \frac{{2\left( {t - {t_{j - 1}}} \right)\left( {{t_{j - \frac{1}{2}}} - t} \right)}}{{{\tau _{j + \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{j - \frac{1}{2}}} + {\tau _{j + \frac{1}{2}}}} \right)}}} \right.} \ \\ & + \left. {\frac{{2\left( {t - {t_{j - 1}}} \right)\left( {t - {t_{j - \frac{3}{2}}}} \right)}}{{{\tau _{j - \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{j - \frac{1}{2}}} + {\tau _{j + \frac{1}{2}}}} \right)}}} \right)\left| {\ddot u\left( t \right)} \right|{\rm d}t.\ \end{aligned}$
证 对于 $1 \le k \le n - 1, $ 通过使用引理 2.1 和引理 2.4, 我们得到
(2.16) $\begin{align*} & {{\tilde \Pi }_{1,k}}{\omega _{2 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - t} \right)\\ & = \int _{{t_{k - \frac{3}{2}}}}^{{t_{k - \frac{1}{2}}}} {{\chi _{1k}}\left( {t,\lambda } \right){{\ddot \omega }_{2 - \alpha }}} \left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - \lambda } \right){\rm d}\lambda \\ & \le \left( {{t_{k - \frac{3}{2}}} - t} \right)\int _{{t_{k - \frac{3}{2}}}}^{{t_{k - \frac{1}{2}}}} {{{\ddot \omega }_{2 - \alpha }}} \left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - \lambda } \right){\rm d}\lambda \\ & = \left( {t - {t_{k - \frac{3}{2}}}} \right)\left[ {{\omega _{1 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - {t_{k - \frac{1}{2}}}} \right) - {\omega _{1 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - {t_{k - \frac{3}{2}}}} \right)} \right]\\ &\le \left( {t - {t_{k - \frac{3}{2}}}} \right)\left( {d_{n - k - 1}^{\left( n \right)} - d_{n - k}^{\left( n \right)}} \right),\forall t \in \left( {{t_{k - \frac{3}{2}}},{t_{k - \frac{1}{2}}}} \right). \end{align*}$
对于 $\forall t \in \left( {{t_{k - \frac{3}{2}}},{t_{k - \frac{1}{2}}}} \right),$ 下式成立
(2.17) $\begin{align*} & {{\tilde \Pi }_{2,k}}{\omega _{2 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - t} \right)\\ & =\! \int _{{t_{k - \frac{3}{2}}}}^{{t_{k - \frac{1}{2}}}} {{\chi _{2k}}\left( {t,\lambda } \right){{\ddot \omega }_{2 - \alpha }}} \left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - \lambda } \right){\rm d}\lambda \\ & \le\!\! \left(\!\! {\left( {{t_{k - \frac{3}{2}}} \!-\! t} \right) \!-\! \frac{{2\left( {{t_{k - 1}} - t} \right)\left( {{t_{k - \frac{1}{2}}} - t} \right)}}{{{\tau _{k + \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{k - \frac{1}{2}}} + {\tau _{k + \frac{1}{2}}}} \right)}}} \right.\left. { - \frac{{2\left( {t - {t_{k - 1}}} \right)\left( {t - {t_{k - \frac{3}{2}}}} \right)}}{{{\tau _{k - \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{k - \frac{1}{2}}} + {\tau _{k + \frac{1}{2}}}} \right)}}} \right)\int _{{t_{k - \frac{3}{2}}}}^{{t_{k - \frac{1}{2}}}} {{{\ddot \omega }_{2 - \alpha }}} \left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} \!-\! \lambda } \right){\rm d}\lambda \\ & =\!\! \left(\!\! {\left( {t \!-\! {t_{k - \frac{3}{2}}}} \right) \!-\! \frac{{2\left( {t \!-\! {t_{k \!-\! 1}}} \right)\left( {{t_{k - \frac{1}{2}}} - t} \right)}}{{{\tau _{k + \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{k - \frac{1}{2}}} + {\tau _{k + \frac{1}{2}}}} \right)}}} \right. \!+\! \left. {\frac{{2\left( {t - {t_{k - 1}}} \right)\left( {t - {t_{k - \frac{3}{2}}}} \right)}}{{{\tau _{k - \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{k - \frac{1}{2}}} + {\tau _{k + \frac{1}{2}}}} \right)}}} \right)\left[ \begin{array}{l} {\omega _{1 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - {t_{k - \frac{1}{2}}}} \right) - \\ {\omega _{1 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - {t_{k - \frac{3}{2}}}} \right) \end{array} \right]\\ & \le\!\! \left(\!\! {\left( {t - {t_{k - \frac{3}{2}}}} \right) - \frac{{2\left( {t - {t_{k - 1}}} \right)\left( {{t_{k - \frac{1}{2}}} - t} \right)}}{{{\tau _{k + \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{k - \frac{1}{2}}} + {\tau _{k + \frac{1}{2}}}} \right)}}} \right.\left. { + \frac{{2\left( {t - {t_{k - 1}}} \right)\left( {t - {t_{k - \frac{3}{2}}}} \right)}}{{{\tau _{k - \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{k - \frac{1}{2}}} + {\tau _{k + \frac{1}{2}}}} \right)}}} \right)\left( {d_{n - k - 1}^{\left( n \right)} - d_{n - k}^{\left( n \right)}} \right). \end{align*}$
当 $k = n, $ 由于 ${\omega _{2 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - t} \right) $ 相对于 $t$ 单调递减, 以下方程成立
(2.18) $\begin{align*} 0\ & \le {{\tilde \Pi }_{1,n}}{\omega _{2 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - t} \right) \\ & \le {\omega _{2 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - {t_{n - \frac{3}{2}}}} \right) - {\Pi _{1,n}}{\omega _{2 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - t} \right) \\ &= \left( {t - {t_{n - \frac{3}{2}}}} \right)d_0^{\left( n \right)}.\ \end{align*}$
(2.19) $\begin{align*} 0\ & \le {{\tilde \Pi }_{2,n}}{\omega _{2 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - t} \right) \\ & \le {\omega _{2 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - {t_{n - \frac{3}{2}}}} \right) - {\Pi _{2,n}}{\omega _{2 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - t} \right) \\ &\le \left( {\left( {t - {t_{k - \frac{3}{2}}}} \right) - \frac{{2\left( {t - {t_{k - 1}}} \right)\left( {{t_{k - \frac{1}{2}}} - t} \right)}}{{{\tau _{k + \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{k - \frac{1}{2}}} + {\tau _{k + \frac{1}{2}}}} \right)}} + \frac{{2\left( {t - {t_{k - 1}}} \right)\left( {t - {t_{k - \frac{3}{2}}}} \right)}}{{{\tau _{k - \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{k - \frac{1}{2}}} + {\tau _{k + \frac{1}{2}}}} \right)}}} \right)d_0^{\left( n \right)}.\ \end{align*}$
现在, 当 $1 \le k \le n - 1,$ 我们估计截断误差 $\xi _n^n,\xi _k^n,$ 并定义积分表达式如下
$\begin{align*} & G_1^k = \int _{{t_{k - \frac{3}{2}}}}^{{t_{k - \frac{1}{2}}}} {\left( {t - {t_{k - \frac{3}{2}}}} \right)\left| {\ddot u\left( t \right)} \right|{\rm d}t,} \\ & G_2^k = \int _{{t_{k - \frac{3}{2}}}}^{{t_{k - \frac{1}{2}}}} {\left( {t - {t_{k - 1}}} \right)\left( {{t_{k - \frac{1}{2}}} - t} \right)\left| {\ddot u\left( t \right)} \right|{\rm d}t},\\ & G_3^k = \int _{{t_{k - \frac{3}{2}}}}^{{t_{k - \frac{1}{2}}}} {\left( {t - {t_{k - 1}}} \right)\left( {t - {t_{k - \frac{3}{2}}}} \right)\left| {\ddot u\left( t \right)} \right|{\rm d}t}. \end{align*}$
(2.20) $\begin{align*} \left| {\xi _n^n} \right|\ & \le \int _{{t_{n - \frac{3}{2}}}}^{{t_{n - \frac{1}{2}}}} {{{\tilde \Pi }_{1,n}}{\omega _{2 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - t} \right)\left| {\ddot u\left( t \right)} \right|}{\rm d}t \\ & \le d_0^{\left( n \right)}\int _{{t_{n - \frac{3}{2}}}}^{{t_{n - \frac{1}{2}}}} {\left( {t - {t_{n - \frac{3}{2}}}} \right)\left| {\ddot u\left( t \right)} \right|}{\rm d}t = d_0^{\left( n \right)}G_1^n.\ \end{align*}$
(2.21) $\begin{align*} \left| {Q_n^n} \right|\ & \le \int _{{t_{n - \frac{3}{2}}}}^{{t_{n - \frac{1}{2}}}} {{{\tilde \Pi }_{2,n}}{\omega _{2 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - t} \right)\left| {\ddot u\left( t \right)} \right|{\rm d}t} \\ & \le d_0^{\left( n \right)}\int _{{t_{n - \frac{3}{2}}}}^{{t_{n - \frac{1}{2}}}} {\left( {\left( {t - {t_{n - \frac{3}{2}}}} \right) - \frac{{2\left( {t - {t_{n - 1}}} \right)\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - t} \right)}}{{{\tau _{n + \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{n - \frac{1}{2}}} + {\tau _{n + \frac{1}{2}}}} \right)}}} \right.} \\ & + \left. {\frac{{2\left( {t - {t_{n - 1}}} \right)\left( {t - {t_{n - \frac{3}{2}}}} \right)}}{{{\tau _{n - \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{n - \frac{1}{2}}} + {\tau _{n + \frac{1}{2}}}} \right)}}} \right)\left| {\ddot u\left( t \right)} \right|{\rm d}t \\ &= d_0^{\left( n \right)}\left( {G_1^n - \frac{2}{{{\tau _{n + \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{n - \frac{1}{2}}} + {\tau _{n + \frac{1}{2}}}} \right)}}G_2^n} \right. \\ & + \left. {\frac{2}{{{\tau _{n - \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{n - \frac{1}{2}}} + {\tau _{n + \frac{1}{2}}}} \right)}}G_3^n} \right)\ \end{align*}$
当 $1 \le k \le n - 1,$ 通过 (2.16) 式
(2.22) $\begin{align*} \sum\limits_{k = 1}^{n - 1} {\left| {q_k^n} \right|} \ & \le \sum _{k = 1}^{n - 1} {\int\limits_{{t_{k - \frac{3}{2}}}}^{{t_{k - \frac{1}{2}}}} {{{\tilde \Pi }_{1,k}}{\omega _{2 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - t} \right)\left| {\ddot u\left( t \right)} \right|} {\rm d}} t \\ & \le \sum _{k = 1}^{n - 1} {\left( {d_{n - k - 1}^{\left( n \right)} - d_{n - k}^{\left( n \right)}} \right)\int _{{t_{k - \frac{3}{2}}}}^{{t_{k - \frac{1}{2}}}} {\left( {t - {t_{k - \frac{3}{2}}}} \right)\left| {\ddot u\left( t \right)} \right|} {\rm d}} t \\ & = \sum _{k = 1}^{n - 1} {\left( {d_{n - k - 1}^{\left( n \right)} - d_{n - k}^{\left( n \right)}} \right)} G_1^k.\ \end{align*}$
(2.23) $\begin{align*} \sum _{k = 1}^{n - 1} {\left| {Q_k^n} \right|} \ & \le \sum _{k = 1}^{n - 1} {\int\limits_{{t_{k - \frac{3}{2}}}}^{{t_{k - \frac{1}{2}}}} {{{\tilde \Pi }_{2,k}}{\omega _{2 - \alpha }}\left( {{t_{n - \frac{1}{2}}} - t} \right)\left| {\ddot u\left( t \right)} \right|{\rm d}t} } \\ & \le \sum _{k = 1}^{n - 1} {\left( {d_{n - k - 1}^{\left( n \right)} - d_{n - k}^{\left( n \right)}} \right)} \int\limits_{{t_{k - \frac{3}{2}}}}^{{t_{k - \frac{1}{2}}}} {\left( {\left( {t - {t_{k - \frac{3}{2}}}} \right) - \frac{{2\left( {t - {t_{k - 1}}} \right)\left( {{t_{k - \frac{1}{2}}} - t} \right)}}{{{\tau _{k + \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{k - \frac{1}{2}}} + {\tau _{k + \frac{1}{2}}}} \right)}}} \right.} \\ & + \left. {\frac{{2\left( {t - {t_{k - 1}}} \right)\left( {t - {t_{k - \frac{3}{2}}}} \right)}}{{{\tau _{k - \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{k - \frac{1}{2}}} + {\tau _{k + \frac{1}{2}}}} \right)}}} \right)\left| {\ddot u\left( t \right)} \right|{\rm d}t,\ \end{align*}$
(2.24) $\begin{align*} \sum _{k = 1}^{n - 1} {\left| {Q_k^n} \right|} \ &\le \sum _{k = 1}^{n - 1} {\left( {d_{n - k - 1}^{\left( n \right)} - d_{n - k}^{\left( n \right)}} \right)} \left( {G_1^k - \frac{2}{{{\tau _{k + \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{k - \frac{1}{2}}} + {\tau _{k + \frac{1}{2}}}} \right)}}G_2^k} \right. \\ & + \left. {\frac{2}{{{\tau _{k - \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{k - \frac{1}{2}}} + {\tau _{k + \frac{1}{2}}}} \right)}}G_3^k} \right).\ \end{align*}$
由 (2.20)-(2.24) 得到的误差估计表达式如下
(2.25) $\begin{align*} \left| {\xi {}^j} \right|\ &= \sum _{k = 1}^j {\left| {\xi _k^n} \right|} = \xi _n^n + Q_n^n + \sum _{k = 1}^{j - 1} {\left| {q_k^n} \right|} + \sum _{k = 1}^{j - 1} {\left| {Q_k^n} \right|} \\ & \le \sum _{k = 1}^{j - 1} {\left( {d_{j - k - 1}^{\left( j \right)} - d_{j - k}^{\left( j \right)}} \right)} \left( {2G_1^k - \frac{2}{{{\tau _{k + \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{k - \frac{1}{2}}} + {\tau _{k + \frac{1}{2}}}} \right)}}G_2^k} \right. \\ & + \left. {\frac{2}{{{\tau _{k - \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{k - \frac{1}{2}}} + {\tau _{k + \frac{1}{2}}}} \right)}}G_3^k} \right) + d_0^{\left( j \right)}\left( {2G_1^j} \right. \\ & - \left. {\frac{2}{{{\tau _{j + \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{j - \frac{1}{2}}} + {\tau _{j + \frac{1}{2}}}} \right)}}G_2^j + \frac{2}{{{\tau _{j - \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{j - \frac{1}{2}}} + {\tau _{j + \frac{1}{2}}}} \right)}}G_3^j} \right).\ \end{align*}$
其中, $1 \le j \le n.$ 将方程 (2.25) 两端同乘 $D_{n - j}^{\left( n \right)}$ 将 $j$ 从 1 求和到 $n$ , 然后交换求和顺序获得,
(2.26) $\begin{align*} \sum _{j = 1}^n {D_{n - j}^{\left( n \right)}\left| {{\xi ^j}} \right|} \ &\le \sum _{j = 2}^n {D_{n - j}^{\left( n \right)}} \sum _{k = 1}^{j - 1} {\left( {d_{j - k - 1}^{\left( j \right)} - d_{j - k}^{\left( j \right)}} \right)} \left( {2G_1^k - \frac{2}{{{\tau _{k + \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{k - \frac{1}{2}}} + {\tau _{k + \frac{1}{2}}}} \right)}}G_2^k} \right. \\ & + \left. {\frac{2}{{{\tau _{k - \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{k - \frac{1}{2}}} + {\tau _{k + \frac{1}{2}}}} \right)}}G_3^k} \right) + \sum _{j = 1}^n {D_{n - j}^{\left( n \right)}} d_0^{\left( j \right)}\left( {2G_1^j} \right. \\ & - \left. {\frac{2}{{{\tau _{j + \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{j - \frac{1}{2}}} + {\tau _{j + \frac{1}{2}}}} \right)}}G_2^j + \frac{2}{{{\tau _{j - \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{j - \frac{1}{2}}} + {\tau _{j + \frac{1}{2}}}} \right)}}G_3^j} \right) \\ &= \sum _{k = 1}^{n - 1} {\left( {2G_1^k - \frac{2}{{{\tau _{k + \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{k - \frac{1}{2}}} + {\tau _{k + \frac{1}{2}}}} \right)}}G_2^k + \frac{2}{{{\tau _{k - \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{k - \frac{1}{2}}} + {\tau _{k + \frac{1}{2}}}} \right)}}G_3^k} \right)} \\ & \times\sum _{j = k + 1}^n {D_{n - j}^{\left( n \right)}\left( {d_{j - k - 1}^{\left( j \right)} - d_{j - k}^{\left( j \right)}} \right)} + \sum _{j = 1}^n {D_{n - j}^{\left( n \right)}} d_0^{\left( j \right)}\left( {2G_1^j} \right. \\ & - \left. {\frac{2}{{{\tau _{j + \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{j - \frac{1}{2}}} + {\tau _{j + \frac{1}{2}}}} \right)}}G_2^j + \frac{2}{{{\tau _{j - \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{j - \frac{1}{2}}} + {\tau _{j + \frac{1}{2}}}} \right)}}G_3^j} \right),\ \end{align*}$
(2.27) $\begin{align*} \sum _{j = 1}^n {D_{n - j}^{\left( n \right)}\left| {{\xi ^j}} \right|} \ &\le \sum _{k = 1}^{n - 1} {\left( {2G_1^k - \frac{2}{{{\tau _{k + \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{k - \frac{1}{2}}} + {\tau _{k + \frac{1}{2}}}} \right)}}G_2^k + \frac{2}{{{\tau _{k - \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{k - \frac{1}{2}}} + {\tau _{k + \frac{1}{2}}}} \right)}}G_3^k} \right)} D_{n - k}^{\left( n \right)}d_0^{\left( k \right)} \\ & + \sum _{j = 1}^n {\left( {2G_1^j - \frac{2}{{{\tau _{j + \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{j - \frac{1}{2}}} + {\tau _{j + \frac{1}{2}}}} \right)}}G_2^j + \frac{2}{{{\tau _{j - \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{j - \frac{1}{2}}} + {\tau _{j + \frac{1}{2}}}} \right)}}G_3^j} \right)D_{n - j}^{\left( n \right)}} d_0^{\left( j \right)} \\ & \le 2\sum _{j = 1}^n {\left( {2G_1^j - \frac{2}{{{\tau _{j + \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{j - \frac{1}{2}}} + {\tau _{j + \frac{1}{2}}}} \right)}}G_2^j + \frac{2}{{{\tau _{j - \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{j - \frac{1}{2}}} + {\tau _{j + \frac{1}{2}}}} \right)}}G_3^j} \right)D_{n - j}^{\left( n \right)}} d_0^{\left( j \right)} \\ &= 2\sum _{j = 1}^n {D_{n - j}^{\left( n \right)}} d_0^{\left( j \right)}\int _{{t_{j - \frac{3}{2}}}}^{{t_{j - \frac{1}{2}}}} {\left( {2\left( {t - {t_{j - \frac{3}{2}}}} \right) - \frac{{2\left( {t - {t_{j - 1}}} \right)\left( {{t_{j - \frac{1}{2}}} - t} \right)}}{{{\tau _{j + \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{j - \frac{1}{2}}} + {\tau _{j + \frac{1}{2}}}} \right)}}} \right.} \\ & + \left. {\frac{{2\left( {t - {t_{j - 1}}} \right)\left( {t - {t_{j - \frac{3}{2}}}} \right)}}{{{\tau _{j - \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{j - \frac{1}{2}}} + {\tau _{j + \frac{1}{2}}}} \right)}}} \right)\left| {\ddot u\left( t \right)} \right|{\rm d}t.\ \end{align*}$
推论2.1 假设 $u \in {C^2}\left( {\left( {0,T} \right]} \right),$ 并且存在一个常数 ${c_u} > 0$ , 满足
(2.28) $\begin{align*} \left| {\ddot u\left( t \right)} \right| \le {c_u}\left( {1 + {t^{\mu - 3}}} \right).\ \end{align*}$
其中 $\mu \in \left( {0,1} \right) \cup \left( {1,2} \right) \cup \left( {2,3} \right) $ 是一个正则化参数. 当 $n \ge 1,$ 如果方程 (2.3) 成立, 则全局误差估计的表达式如下
(2.29) $\begin{align*}\sum _{j = 1}^n {D_{n - j}^{\left( n \right)}\left| {{\xi ^j}} \right|} \le {c_u}\left( {\tau _1^\mu + \frac{1}{{1 - \alpha }}\mathop {\max }\limits_{2 \le j \le n} {{\left( {{t_{j - \frac{1}{2}}} - {t_{\frac{1}{2}}}} \right)}^\alpha }t_{_{j - \frac{3}{2}}}^{\mu - 3}\tau _{_{j - \frac{1}{2}}}^{3 - \alpha }} \right).\ \end{align*}$
(2.30) $\begin{align*} \begin{array}{l} G_1^1 \le c{c_u}\tau _1^\mu,G_1^k \le \int _{{t_{k - \frac{3}{2}}}}^{{t_{k - \frac{1}{2}}}} {\left( {t - {t_{k - \frac{3}{2}}}} \right)} {c_u}{t^{\mu - 3}}{\rm d}t \le c{c_u}{\left( {{\tau _{k - \frac{1}{2}}}} \right)^3}t_{k - \frac{3}{2}}^{\mu - 3},\\[3mm] G_2^1 \le {c_u}\tau _1^\mu,G_2^k \le \int _{{t_{k - \frac{3}{2}}}}^{{t_{k - \frac{1}{2}}}} {\left( {t - {t_{k - \frac{3}{2}}}} \right)\left( {{t_{k - \frac{1}{2}}} - t} \right)} {c_u}{t^{\mu - 3}}{\rm d}t \le {c_u}{\left( {{\tau _{k - \frac{1}{2}}}} \right)^3}t_{k - \frac{3}{2}}^{\mu - 3},\\[3mm] G_3^1 \le {c_u}\tau _1^\mu,G_3^k \le \int _{{t_{k - \frac{3}{2}}}}^{{t_{k - \frac{1}{2}}}} {{{\left( {t - {t_{k - \frac{3}{2}}}} \right)}^2}} {c_u}{t^{\mu - 3}}{\rm d}t \le {c_u}{\left( {{\tau _{k - \frac{1}{2}}}} \right)^3}t_{k - \frac{3}{2}}^{\mu - 3},2 \le k \le n. \end{array}\ \end{align*}$
其中, 常数 $c$ 能被 $c{\tau _1} \ge 1,c{\tau _{k - \frac{1}{2}}} \ge 1,2 \le k \le n$ 控制. 由于 $D_{n - k}^{\left( n \right)} > 0,d_{n - k}^{\left( n \right)} > 0$ . 并且方程 (2.12) 满足 $\sum _{j = 2}^n {D_{n - j}^{\left( n \right)}d_{j - 2}^{\left( j \right)}} = 1.$ 通过引理 2.1 和引理 2.5, 我们得到
(2.31) $\begin{align*} & \sum _{j = 1}^n {D_{n - j}^{\left( n \right)}\left| {{\xi ^j}} \right|} \\ &\le 2D_{n - 1}^{\left( n \right)}d_0^{\left( 1 \right)}\left( {2G_1^1 - \frac{2}{{{\tau _{\frac{3}{2}}}\left( {{\tau _{\frac{1}{2}}} + {\tau _{\frac{3}{2}}}} \right)}}G_2^1} \right. + \left. {\frac{{2G_3^1}}{{{\tau _{\frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{\frac{1}{2}}} + {\tau _{\frac{3}{2}}}} \right)}}} \right) \\ & + 2\sum _{j = 2}^n {\left( {2G_1^j - \frac{2}{{{\tau _{j + \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{j - \frac{1}{2}}} + {\tau _{j + \frac{1}{2}}}} \right)}}G_2^j} \right.} + \left. {\frac{2}{{{\tau _{j - \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{j - \frac{1}{2}}} + {\tau _{j + \frac{1}{2}}}} \right)}}G_3^j} \right)D_{n - j}^{\left( n \right)}d_0^{\left( j \right)},\ \end{align*}$
(2.32) $\begin{align*} \sum _{j = 1}^n {D_{n - j}^{\left( n \right)}\left| {{\xi ^j}} \right|} \ & \le 2\left( {2G_1^1 - \frac{2}{{{\tau _{\frac{3}{2}}}\left( {{\tau _{\frac{1}{2}}} + {\tau _{\frac{3}{2}}}} \right)}}G_2^1 + \frac{2}{{{\tau _{\frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{\frac{1}{2}}} + {\tau _{\frac{3}{2}}}} \right)}}G_3^1} \right) \\ & + \frac{2}{{1 - \alpha }}\sum _{j = 2}^n {\left( {2G_1^j - \frac{2}{{{\tau _{j + \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{j - \frac{1}{2}}} + {\tau _{j + \frac{1}{2}}}} \right)}}G_2^j} \right.} \\ & + \left. {\frac{2}{{{\tau _{j - \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{j - \frac{1}{2}}} + {\tau _{j + \frac{1}{2}}}} \right)}}G_3^j} \right)D_{n - j}^{\left( n \right)}d_{j - 2}^{\left( j \right)}{\left( {{t_{j - \frac{1}{2}}} - {t_{\frac{1}{2}}}} \right)^\alpha }{\left( {{\tau _{j - \frac{1}{2}}}} \right)^{ - \alpha }} \\ &\le {c_u}\tau _1^\mu + \frac{{{c_u}}}{{1 - \alpha }}\sum _{j = 2}^n {D_{n - j}^{\left( n \right)}d_{j - 2}^{\left( j \right)}} {\left( {{t_{j - \frac{1}{2}}} - {t_{\frac{1}{2}}}} \right)^\alpha }t_{j - \frac{3}{2}}^{\mu - 3}{\left( {{\tau _{j - \frac{1}{2}}}} \right)^{3 - \alpha }} \\ &\le {c_u}\left( {\tau _1^\mu + \frac{1}{{1 - \alpha }}\mathop {\max } _{2 \le j \le n} {{\left( {{t_{j - \frac{1}{2}}} - {t_{\frac{1}{2}}}} \right)}^\alpha }t_{j - \frac{3}{2}}^{\mu - 3}{{\left( {{\tau _{j - \frac{1}{2}}}} \right)}^{3 - \alpha }}} \right).\ \end{align*}$
3 非均匀 BDF2 型有限元格式
本节的主要工作是为时间分数阶扩散-波动方程开发一个非均匀 BDF2 型有限元格式. 首先, 使用降阶方法将原始问题 (1.1)-(1.2) 改写为等效方程组. 给出
(3.31) $\begin{align*} \alpha = \beta - 1,u\left( {x,t} \right) = \frac{{\partial v}}{{\partial t}}\left( {x,t} \right),\ \end{align*}$
将 (3.1) 式代入 (2.4) 式, 得到以下方程
(3.2) $\begin{align*} _0^CD_t^\beta v\left( {x,t} \right)\ & = \frac{1}{{\Gamma \left( {2 - \beta } \right)}}\int _0^t {\frac{{{\partial ^2}v}}{{\partial {s^2}}}\left( {x,s} \right)} \frac{1}{{{{\left( {t - s} \right)}^{\beta - 1}}}}{\rm d}s \\ & = \frac{1}{{\Gamma \left( {1 - \alpha } \right)}}\int _0^t {\frac{{{\partial ^2}v}}{{\partial {s^2}}}\left( {x,s} \right)} \frac{1}{{{{\left( {t - s} \right)}^\alpha }}}{\rm d}s \\ &= _0^CD_t^\alpha u\left( {x,t} \right).\ \end{align*}$
3.1 双线性有限元方法
定义 ${J_{h1}}$ 为 $\Omega {\rm{ = }}{\left( {0,L} \right)^2}$ 的矩形网格族, 其中对于任意 $K \in {J_{h1}},$ 定义 ${O_K} = \left( {{x_K},{y_K}} \right)$ 是 $K$ 的中心, $h_x^K$ 和 $h_y^K$ 分别是中心 ${O_K}$ 和平行于两个坐标平面的 $K$ 的两侧之间的垂直距离.
$A_1^K = \left( {{x_K} - h_x^K,{y_K} - h_y^K} \right),A_2^K = \left( {{x_K} + h_x^K,{y_K} - h_y^K} \right),A_3^K = \left( {{x_K} - h_x^K,{y_K} + h_y^K} \right),$
$A_4^K = \left( {{x_K} + h_x^K,{y_K} + h_y^K} \right)$ 表示 $K$ 的四个顶点. 定义 ${x_i} = ih,{y_j} = jh,{h_K} = \max \left\{ {h_x^K,h_y^K} \right\},$ $h = \mathop {\max }\limits_{K \in {J_{h1}}} {h_K}.$ 然后, 设 $M$ 为正整数, 我们将离散空间网格定义为
${\Omega _h} = \left\{ {\left. {\left. {{x_h} = \left( {{x_i},{y_j}} \right)} \right|1 \le i,j \le M - 1} \right\}} \right.,{\overline \Omega _h} = \left\{ {\left. {\left. {{x_h}} \right|0 \le i,j \le M} \right\}} \right..\ $
(3.3) $\begin{align*} {V_h}\ & = \left\{ {\left. {{{\left. {v;v} \right|}_K} \in {Q_{11}}\left( K \right),{v_h}\left( {{x_h},0} \right) = {\varphi _1}\left( {{x_h}} \right)} \right\}} \right., \\ {U_h}\ & = \left\{ {\left. {{{\left. {v;v} \right|}_K} \in {Q_{11}}\left( K \right),{u_h}\left( {{x_h},0} \right) = {\varphi _2}\left( {{x_h}} \right)} \right\}} \right..\ \end{align*}$
其中 ${Q_{ij}} = {\rm span}\left\{ {{x^r}{y^s};\left( {x,y} \right) \in K,0 \le r \le i,0 \le s \le j} \right\}.$ 因此对于 ${u_h} \in {U_h},$ 我们在点 $\big( {x_h},$ ${t_{n - \frac{1}{2}}} \big)$ 处得到以下算子的离散形式. 其中,${\delta _x}{u_{i + \frac{1}{2},j}} = \frac{{\left( {{u_{i + 1,j}} - {u_{i,j}}} \right)}}{h},\ $ ${\delta _y}{u_{i,j + \frac{1}{2}}} = \frac{{\left( {{u_{i,j + 1}} - {u_{i,j}}} \right)}}{h}.$ 离散拉普拉斯算子和离散梯度向量定义如下
${\Delta _h}{u_{i,j}} = \delta _x^2{u_{i,j}} + \delta _y^2{u_{i,j}},{\nabla _h}{u_{i,j}} = {\left( {{\delta _x}{u_{i - \frac{1}{2},j}},{\delta _y}{u_{i,j - \frac{1}{2}}}} \right)^T}.\ $
3.2 BDF2 型有限元格式
首先我们构造方程 (1.1)-(1.2) 的弱形式如下: 找到 $ v,u \in H_0^1\left( \Omega \right),\ $ 对于任意 $ t \in \left( {0,T} \right],\ $ 满足
(3.4) $\begin{align*} \left\{ \begin{array}{rl} \left( {_0^CD_t^\alpha u,w} \right) + \left( {\nabla v,\nabla w} \right)& = \left( {f,w} \right),\ \\ \left( {u,w} \right) & = \left( {{v_t},w} \right),x \in \Omega,\forall w \in H_0^1\left( \Omega \right),\ \\ v\left( {x,0} \right) & = {g_1}\left( x \right),u\left( {x,0} \right) = {g_2}\left( x \right),x \in \overline \Omega.\ \end{array} \right. \end{align*}$
在 $ \left( {{x_h},{t_{n - \frac{1}{2}}}} \right) $ 点处 BDF2 有限元全离散格式由方程 (3.4) 定义如下: 找到 ${v_h} \in {V_h},{u_h} \in {U_h},$ 对于任意 $ t \in \left( {0,T} \right],\ $ 满足
(3.5) $\begin{align*} \left\{ \begin{array}{rl} \left( {D_\gamma ^\alpha u_h^{n - \frac{1}{2}},w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right)& = \left( {{\Delta _h}v_h^{n - \frac{1}{2}},w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right) + \left( {f_h^{n - \frac{1}{2}},w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right) + \left( {R_h^n,w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right),\ \\ \left( {u_h^{n - \frac{1}{2}},w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right) & = \left( {{\delta _t}v_h^{n - \frac{1}{2}},w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right) + \left( {r_h^n,w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right),{x_h} \in {\Omega _h},\forall {w_h} \in {U_h},\ \\ v_h^0 & = {g_1}\left( {{x_h}} \right),u_h^0 = {g_2}\left( {{x_h}} \right),{x_h} \in {\overline \Omega _h}.\ \end{array} \right. \end{align*}$
其中 $ 1 \le n \le N $ , $R_h^n = \xi _h^n + \eta _h^n $ , $\xi _h^n$ 表示时间方向上的截断误差, $\eta _h^n$ 表示空间方向上的截断误差. 具体估计式如下
(3.6) $\begin{align*} \left| {r_h^n} \right| \le {c_0}\tau _n^2,\left| {\eta _h^n} \right| \le {c_0}{h^2},{x_h} \in {\Omega _h}.\ \end{align*}$
其中 ${c_0}$ 是一个常数. 忽略截断误差, 我们构造 BDF2 有限元格式如下
(3.7) $\begin{align*} \left\{ \begin{array}{rl} \left( {D_\gamma ^\alpha u_h^{n - \frac{1}{2}},w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right) & = \left( {{\Delta _h}v_h^{n - \frac{1}{2}},w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right) + \left( {f_h^{n - \frac{1}{2}},w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right),\ \\ \left( {u_h^{n - \frac{1}{2}},w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right) & = \left( {{\delta _t}v_h^{n - \frac{1}{2}},w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right),{x_h} \in {\Omega _h},\forall {w_h} \in {U_h},\ \\ v_h^0 & = {g_1}\left( {{x_h}} \right),u_h^0 = {g_2}\left( {{x_h}} \right),{x_h} \in {\overline \Omega _h}.\ \end{array} \right. \end{align*}$
其中 $ 1 \le n \le N,$ 以下是关于非均匀网格上所提出的 BDF2 有限元格式的时间收敛阶定理.
定理3.1 BDF2 有限元格式 (3.7) 在非均匀网格上的时间收敛阶为 $O\left( {{N^{ - \min \left\{ {\gamma \mu,3 - \alpha } \right\}}}} \right),$ 误差范数表达式如下
$\left\| {\sum _{j = 1}^n {D_{n - j}^{\left( n \right)}\left| {{\xi ^j}} \right|} } \right\| \le {c_u}{N^{ - \min \left\{ {\gamma \mu,3 - \alpha } \right\}}}. $
$\left\| {\sum _{j = 1}^n {D_{n - j}^{\left( n \right)}\left| {{\xi ^j}} \right|} } \right\| \le {C_\Lambda }{N^{ - \min \left\{ {\gamma \mu,2} \right\}}}.\ $
其中 $ {c_u}$ 和 ${C_\Lambda }$ 是正常数, ${\xi ^j} = \sum _{j = 1}^n {{}_0^CD_t^\alpha v\left( {{t_{j - \frac{1}{2}}}} \right) - \sum _{j = 1}^n {D_\tau ^\alpha {v^{j - \frac{1}{2}}}} }$ 表示时间误差余项.
证 我们考虑基于推论 2.1 的均匀网格 $\tau = \frac{T}{N}$ 可以得出
$\begin{aligned} \sum _{j = 1}^n {D_{n - j}^{\left( n \right)}\left| {{\xi ^j}} \right|} \ & \le {c_u}\left( {{\tau ^\mu } + \frac{1}{{1 - \alpha }}{\tau ^{\min \left\{ {\mu,3 - \alpha } \right\}}}\mathop {\max } _{2 \le k \le n} t_{_{k - \frac{3}{2}}}^{\alpha + \mu - 3}{\tau ^{3 - \alpha - \min \left\{ {\mu,3 - \alpha } \right\}}}} \right)\ \\ & = {c_u}\left( {{\tau ^\mu } + \frac{1}{{1 - \alpha }}{\tau ^{\min \left\{ {\mu,3 - \alpha } \right\}}}\mathop {\max } _{2 \le k \le n} {{\left( {k - \frac{3}{2}} \right)}^{\alpha + \mu - 3}}{\tau ^{\mu - \min \left\{ {\mu,3 - \alpha } \right\}}}} \right)\ \\ & \le {c_u}\left( {{\tau ^\mu } + \frac{1}{{1 - \alpha }}\mathop {\max } _{2 \le k \le n} t_{_{k - \frac{3}{2}}}^{\mu - \min \left\{ {\mu,3 - \alpha } \right\}}{\tau ^{\min \left\{ {\mu,3 - \alpha } \right\}}}} \right).\ \end{aligned}$
从上述方程中得出, 在 $\mu \le 3 - \alpha$ 时有限元法 (3.7) 的时间收敛阶随着正则化参数 $\mu$ 的增加而增加. 当 $\mu \in \left[ {3 - \alpha,3} \right),$ 时间收敛阶是 $O\left( {{\tau ^{3 - \alpha }}} \right).$
我们现在将考虑等级网格 ${t_k} = T{\left( {\frac{k}{N}} \right)^\gamma },\gamma > 1$ 的情况
${\left( {{t_{\frac{3}{2}}} - {t_{\frac{1}{2}}}} \right)^\alpha }t_{\frac{1}{2}}^{\mu - 3}\tau _{\frac{3}{2}}^{3 - \alpha } \le {\left( {T{{\left( {\frac{2}{N}} \right)}^\gamma }} \right)^3}{\left( {T{{\left( {\frac{1}{{2N}}} \right)}^\gamma }} \right)^{\left( {\mu - 3} \right)}} = {2^{6\gamma - \mu \gamma }}{T^\mu }{N^{ - \mu \gamma }}. $
不难由 ${\tau _k} \le T{N^{ - \gamma }}\gamma {k^{\gamma - 1}}$ 得出并且当 $ k \le 3\left( {k - 2} \right),$ 可以获得以下方程
$\begin{aligned} \begin{array}{l} { \left( {{t_{k - \frac{1}{2}}} - {t_{\frac{1}{2}}}} \right)^\alpha }t_{k - \frac{3}{2}}^{\mu - 3}\tau _{k - \frac{1}{2}}^{3 - \alpha }\\ \le {T^\alpha }{\left( {\frac{k}{N}} \right)^{\alpha \gamma }}{T^{\left( {\mu - 3} \right)}}{\left( {\frac{{k - 2}}{N}} \right)^{\gamma \left( {\mu - 3} \right)}}{\left( {\gamma {k^{\gamma - 1}}T{N^{ - \gamma }}} \right)^{3 - \alpha }}\\ \le {T^\mu }{k^{\alpha + 3\left( {\gamma - 1} \right)}}{\left( {k - 2} \right)^{\gamma \left( {\mu - 3} \right)}}{\gamma ^{3 - \alpha }}{N^{ - \gamma \mu }} \le {T^\mu }{3^{\alpha + 3\left( {\gamma - 1} \right)}}{\left( {k - 2} \right)^{\gamma \mu + \alpha - 3}}{\gamma ^{3 - \alpha }}{N^{ - \gamma \mu }}\\ \le {T^\mu }{3^{\alpha + 3\left( {\gamma - 1} \right)}}{\left( {k - 2} \right)^{\min \left\{ {\gamma \mu,3 - \alpha } \right\} - \left( {3 - \alpha } \right)}}{\left( {\frac{{k - 2}}{N}} \right)^{\gamma \mu - \min \left\{ {\gamma \mu,3 - \alpha } \right\}}}{\gamma ^{3 - \alpha }}{N^{ - \min \left\{ {\gamma \mu,3 - \alpha } \right\}}}\\ \le {T^{\min \left\{ {\mu,\frac{{3 - \alpha }}{\gamma }} \right\}}}{3^{\alpha + 3\left( {\gamma - 1} \right)}}t_{k - 2}^{\mu - \min \left\{ {\mu,\frac{{3 - \alpha }}{\gamma }} \right\}}{\gamma ^{3 - \alpha }}{N^{ - \min \left\{ {\gamma \mu,3 - \alpha } \right\}}}\\ \le {T^\mu }{3^{\alpha + 3\left( {\gamma - 1} \right)}}{\gamma ^{3 - \alpha }}{N^{ - \min \left\{ {\gamma \mu,3 - \alpha } \right\}}},k \ge 3. \end{array}\ \end{aligned}$
(3.8) $\begin{align*} \sum _{j = 1}^n {D_{n - j}^{\left( n \right)}\left| {{\xi ^j}} \right| \le {c_u}} {N^{ - \min \left\{ {\gamma \mu,3 - \alpha } \right\}}}.\ \end{align*}$
网格假设条件 B2 意味着 ${\tau _1} \le {C_\gamma }{\tau ^\gamma },$ 并且获得以下方程
(3.9) $\begin{aligned}\left(t_{j-\frac{1}{2}}-t_{\frac{1}{2}}\right)^\alpha t_{j-\frac{3}{2}}^{\mu-3} \tau_{j-\frac{1}{2}}^{3-\alpha} & \leq t_{j-\frac{1}{2}}^{\alpha+\mu-3} \tau_{j-\frac{1}{2}}^{3-\alpha-\min \{\gamma \mu, 2\}}\left(C_\gamma \tau \min \left\{1, t_{j-\frac{1}{2}}^{1-1 / \gamma}\right\}\right)^{\min \{\gamma \mu, 2\}} \\& \leq\left(C_\gamma\right)^{\min \{\gamma \mu, 2\}} t_{j-\frac{1}{2}}^{\mu-\min \{\gamma \mu, 2\} / \gamma} \tau^{\min \{\gamma \mu, 2\}}.\end{aligned}$
根据 (3.9) 式和推论 2.1, 如果我们 ${t_n} \le T,$ 得到
(3.10) $\begin{align*} \left\| {\sum _{j = 1}^n {D_{n - j}^{\left( n \right)}\left| {{\xi ^j}} \right|} } \right\| \le {C_\Lambda }{N^{ - \min \left\{ {\gamma \mu,2} \right\}}}.\ \end{align*}$
4 BDF2 型有限元格式的稳定性和收敛性分析
本节利用离散卷积核 $D_{n - k}^{\left( n \right)}$ 的相关性质证明了非均匀有限元 BDF2 格式在 ${L^2}$ - 范数和 ${H^1}$ - 范数下的收敛性和稳定性, 并为稳定性分析和误差分析提供了定理. 首先, 我们证明了所提出的有限元格式 (3.7) 的稳定性.
4.1 有限元格式在 ${L}^2$ - 范数下的稳定性
下面,我们证明了所提出的有限元公式 (3.7) 在 ${L^2}$ - 范数下的稳定性定理.
定理4.1 所提出的 BDF2 型有限元公式 (3.7)依赖于初始值和右端项的无条件稳定性. 我们可以得到 $L^2$ - 范数下的稳定性估计
(4.1) $\begin{align*} \left\| {{v^n}} \right\| \le \sqrt {{{\left\| {{g_1}} \right\|}^2} + {{\left( {\sum _{k = 1}^n {{\tau _k}\left\| {\sum\limits_{l = 1}^k {D_{k - l}^{\left( k \right)}} {f^{l - \frac{1}{2}}} + {g_2}} \right\|} } \right)}^2}} + \sum _{k = 1}^n {{\tau _k}\left\| {\sum\limits_{l = 1}^k {D_{k - l}^{\left( k \right)}} {f^{l - \frac{1}{2}}} + {g_2}} \right\|}.\ \end{align*}$
(4.2) $\begin{align*} \left\{ \begin{array}{rlr} \left( {\sum _{k = 1}^n {d_{n - k}^{\left( n \right)}{\nabla _\tau }u_h^{k - \frac{1}{2}}},w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right) & = \left( {{\Delta _h}v_h^{n - \frac{1}{2}},w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right) + \left( {f_h^{n - \frac{1}{2}},w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right), \\ \left( {u_h^{n - \frac{1}{2}},w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right)& = \left( {{\delta _t}v_h^{n - \frac{1}{2}},w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right),{x_h} \in {\Omega _h},\forall {w_h} \in {U_h}, \\ v_h^0 & = {g_1},u_h^0 = {g_2},{x_h} \in {\overline \Omega _h}.\ \end{array} \right. \end{align*}$
其中 $ 1 \le n \le N,\ $ 将 (4.2) 式中的第一个方程的两端同乘以 $D_{n - k}^{\left( n \right)},$ 并从 1 到 $n$ 求和
(4.3) $\begin{align*} & \,\left( {\sum _{k = 1}^n {D_{n - k}^{\left( n \right)}\sum _{j = 1}^n {d_{k - j}^{\left( k \right)}{\nabla _\tau }} } u_h^{j - \frac{1}{2}},w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right)\\ &= \left( {\sum\limits_{k = 1}^n {D_{n - k}^{\left( n \right)}} {\Delta _h}v_h^{k - \frac{1}{2}},w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right) + \left( {\sum _{k = 1}^n {D_{n - k}^{\left( n \right)}} f_h^{k - \frac{1}{2}},w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right).\ \end{align*}$
交换方程 (4.3) 的积分顺序并代入 (2.9) 式得到
(4.4) $\begin{align*} \begin{array}{l} \left( {\sum _{k = 1}^n {D_{n - k}^{\left( n \right)}\sum\limits_{j = 1}^n {d_{k - j}^{\left( k \right)}{\nabla _\tau }} } u_h^{j - \frac{1}{2}},w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right)\\ = \left( {\sum _{j = 1}^n {{\nabla _\tau }} u_h^{j - \frac{1}{2}}\sum _{k = j}^n {D_{n - k}^{\left( n \right)}d_{k - j}^{\left( k \right)}},w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right)\\ = \left( {{\nabla _\tau }u_h^{\frac{1}{2}}{\rm{ + }}{\nabla _\tau }u_h^{\frac{3}{2}}{\rm{ + }} \cdots {\rm{ + }}{\nabla _\tau }u_h^{n - \frac{1}{2}},w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right)\\ = \left( {\frac{1}{2}\left( {u_h^1 - u_h^0} \right){\rm{ + }}\left( {u_h^{\frac{3}{2}} - u_h^{\frac{1}{2}}} \right){\rm{ + }}\left( {u_h^{\frac{5}{2}} - u_h^{\frac{3}{2}}} \right){\rm{ + }} \cdots {\rm{ + }}\left( {u_h^{n - \frac{1}{2}} - u_h^{n - \frac{3}{2}}} \right),w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right)\\ = \left( {\frac{1}{2}\left( {u_h^1 - u_h^0} \right){\rm{ + }}\left( {u_h^{n - \frac{1}{2}} - \frac{1}{2}\left( {u_h^1 + u_h^0} \right)} \right),w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right)\\ = \left( {u_h^{n - \frac{1}{2}} - u_h^0,w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right) = \left( {u_h^{n - \frac{1}{2}} - {g_2},w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right). \end{array}\ \end{align*}$
(4.5) $\begin{align*} \left( {u_h^{n - \frac{1}{2}},w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right) = \left( {\sum _{k = 1}^n {D_{n - k}^{\left( n \right)}{\Delta _h}v_h^{k - \frac{1}{2}},w_h^{n - \frac{1}{2}}} } \right) + \left( {\sum _{k = 1}^n {D_{n - k}^{\left( n \right)}f_h^{k - \frac{1}{2}} + {g_2},w_h^{n - \frac{1}{2}}} } \right). \end{align*}$
在 (4.5) 和 (4.2) 式中的第二个方程中取 ${w^{n - \frac{1}{2}}} = {v^{n - \frac{1}{2}}}$ 我们有
(4.6) $\begin{align*} \left\{ \begin{array}{rl} \left( {{u^{n - \frac{1}{2}}},{v^{n - \frac{1}{2}}}} \right)& = \sum _{k = 1}^n {D_{n - k}^{\left( n \right)}} \left( {{\Delta _h}{v^{k - \frac{1}{2}}},{v^{n - \frac{1}{2}}}} \right) + \left( {\sum _{k = 1}^n {D_{n - k}^{\left( n \right)}} {f^{k - \frac{1}{2}}} + {g_2},{v^{n - \frac{1}{2}}}} \right),\ \\ \left( {{\delta _t}{v^{n - \frac{1}{2}}},{v^{n - \frac{1}{2}}}} \right) & = \left( {{u^{n - \frac{1}{2}}},{v^{n - \frac{1}{2}}}} \right).\ \end{array} \right. \end{align*}$
根据 ${\delta _t}$ 的定义和方程 $(4.6)$ 两端 $k$ 从 1 到 $n$ 的求和, 我们能得到
(4.7) $\begin{align*} & \sum _{k = 1}^n {\left( {{\nabla _\tau }{v^k},{v^{k - \frac{1}{2}}}} \right)}\\ & = \sum _{k = 1}^n {{\tau _k}\sum\limits_{l = 1}^k {D_{k - l}^{\left( k \right)}} \left( {{\Delta _h}{v^{l - \frac{1}{2}}},{v^{k - \frac{1}{2}}}} \right) + } \sum\limits_{k = 1}^n {{\tau _k}\left( {\sum _{l = 1}^k {D_{k - l}^{\left( k \right)}} {f^{l - \frac{1}{2}}} + {g_2},{v^{k - \frac{1}{2}}}} \right)}. \end{align*}$
(4.8) $\begin{align*} \sum _{k = 1}^n {\left( {{\nabla _\tau }{v^k},{v^{k - \frac{1}{2}}}} \right)} \ &= \sum _{k = 1}^n {\left( {{v^k} - {v^{k - 1}},\frac{1}{2}\left( {{v^k} + {v^{k - 1}}} \right)} \right)} \\ &= \frac{1}{2}\sum _{k = 1}^n {\left( {{{\left\| {{v^k}} \right\|}^2} - {{\left\| {{v^{k - 1}}} \right\|}^2}} \right)} \\ &= \frac{1}{2}\left( {{{\left\| {{v^n}} \right\|}^2} - {{\left\| {{v^0}} \right\|}^2}} \right) = \frac{1}{2}\left( {{{\left\| {{v^n}} \right\|}^2} - {{\left\| {{g_1}} \right\|}^2}} \right).\ \end{align*}$
从引理 2.3 可以得出离散卷积核 $D_{k - l}^{\left( k \right)}$ 具有正定性的结论, 我们得到
(4.9) $\begin{align*} \sum _{k = 1}^n {{\tau _k}\sum _{l = 1}^k {D_{k - l}^{\left( k \right)}} \left( {{\Delta _h}{v^{l - \frac{1}{2}}},{v^{k - \frac{1}{2}}}} \right)} = - \sum _{k = 1}^n {{\tau _k}\sum _{l = 1}^k {D_{k - l}^{\left( k \right)}} \left( {{\nabla _h}{v^{l - \frac{1}{2}}},{\nabla _h}{v^{k - \frac{1}{2}}}} \right)} \le 0. \end{align*}$
将 (4.8) 和 (4.9) 式代入方程式 (4.7) 得到
(4.10) $\begin{align*} {\left\| {{v^n}} \right\|^2} \le {\left\| {{g_1}} \right\|^2} + 2\sum _{k = 1}^n {{\tau _k}\left\| {\sum _{l = 1}^k {D_{k - l}^{\left( k \right)}} {f^{l - \frac{1}{2}}} + {g_2}} \right\|.\left\| {{v^{k - \frac{1}{2}}}} \right\|}. \end{align*}$
选择一些整数 ${n_0}\left( {0 \le {n_0} \le n} \right)$ 满足 $\left\| {{v^{{n_0}}}} \right\| = \mathop {\max }\limits_{0 \le k \le n} \left\| {{v^k}} \right\|,$ 在 (4.10) 式中取 $n = {n_0}$ , 我们有
(4.11) $\begin{align*} {\left\| {{v^{{n_0}}}} \right\|^2} \le {\left\| {{g_1}} \right\|^2} + 2\sum _{k = 1}^n {{\tau _k}\left\| {\sum _{l = 1}^k {D_{k - l}^{\left( k \right)}} {f^{l - \frac{1}{2}}} + {g_2}} \right\|.\left\| {{v^{{n_0}}}} \right\|}. \end{align*}$
(4.12) $\begin{align*} \left\| {{v^n}} \right\| \le \left\| {{v^{{n_0}}}} \right\| \le \sqrt {{{\left\| {{g_1}} \right\|}^2} + {{\left( {\sum _{k = 1}^n {{\tau _k}\left\| {\sum _{l = 1}^k {D_{k - l}^{\left( k \right)}} {f^{l - \frac{1}{2}}} + {g_2}} \right\|} } \right)}^2}} + \sum _{k = 1}^n {{\tau _k}\left\| {\sum _{l = 1}^k {D_{k - l}^{\left( k \right)}} {f^{l - \frac{1}{2}}} + {g_2}} \right\|}. \end{align*}$
4.2 有限元格式在${H^1}$ - 范数下的稳定性
下面,我们证明了所提出的有限元公式 (3.7) 在 ${H^1}$ - 范数下的稳定性定理.
定理4.2 所提出的 BDF2 型有限元公式 (3.7) 依赖于初始值和右端项的无条件稳定性. 我们可以得到 ${H^1}$ - 范数下的稳定性估计
(4.13) $\begin{align*} {\left| {{v^n}} \right|_1} \le \sqrt {\left| {{g_1}} \right|_1^2 + {{\left( {\sum _{k = 1}^n {{\tau _k}{{\left| {\sum _{l = 1}^k {D_{k - l}^{\left( k \right)}} {f^{l - \frac{1}{2}}} + {g_2}} \right|}_1}} } \right)}^2}} + \sum _{k = 1}^n {{\tau _k}{{\left| {\sum _{l = 1}^k {D_{k - l}^{\left( k \right)}} {f^{l - \frac{1}{2}}} + {g_2}} \right|}_1}}.\ \end{align*}$
证 证明过程类似于定理 4.1, 在 (4.5) 式中取 ${w^{n - \frac{1}{2}}} = - {\Delta _h}{v^{n - \frac{1}{2}}},$ 可得到定理 4.2 的结果.
4.3 有限元格式在 ${L^2}$ - 范数下的收敛性
下面, 我们证明了所提出的有限元公式 (3.7) 在 ${L^2}$ - 范数下的收敛性. 定义
$ e_h^n = V_h^n - v_h^n,\rho _h^n = U_h^n - u_h^n,{x_h} \in {\Omega _h},1 \le n \le N,\ $
(4.14) $\begin{align*} \left\{ \begin{array}{rl} \left( {D_\gamma ^\alpha \rho _h^{n - \frac{1}{2}},w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right)& = \left( {{\Delta _h}e_h^{n - \frac{1}{2}},w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right) + \left( {R_h^n,w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right),\ \\ \left( {\rho _h^{n - \frac{1}{2}},w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right)& = \left( {{\delta _t}e_h^{n - \frac{1}{2}},w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right) + \left( {r_h^n,w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right),{x_h} \in {\Omega _h},\forall {w_h} \in H_0^1\left( \Omega \right),\ \\ e_h^0& = 0,\rho _h^0 = 0,{x_h} \in {\overline \Omega _h}.\ \end{array} \right. \end{align*}$
定理4.3 所提出的 BDF2 型有限元公式 (3.7) 在 $L^2$ - 范数下是收敛的. 误差估计如下
$\left\| {{{\rm e}^n}} \right\| \le {c_v}\left( {{N^{ - \min \left\{ {\gamma \mu,3 - \alpha } \right\}}} + t_{n - \frac{1}{2}}^{\beta - 1}{h^2} + {t_n}\tau _n^2} \right).\ $
$\left\| {{{\rm e}^n}} \right\| \le {c_v}\left( {{N^{ - \min \left\{ {\gamma \mu,2} \right\}}} + t_{n - \frac{1}{2}}^{\beta - 1}{h^2} + {t_n}\tau _n^2} \right).\ $
证 其中 $ 1 \le n \le N.$ 将 (4.14) 式中的第一个方程的两端同乘以 $D_{n - k}^{\left( n \right)},$ 并从 1 到 $n$ 求和
(4.15) $\begin{align*} \left( {\sum _{k = 1}^n {D_{n - k}^{\left( n \right)}\sum _{j = 1}^n {d_{k - j}^{\left( k \right)}{\nabla _\tau }} } \rho _h^{j - \frac{1}{2}},w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right)\! =\! \left( {\sum _{k = 1}^n {D_{n - k}^{\left( n \right)}} {\Delta _h}e_h^{k - \frac{1}{2}},w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right) \!+\! \left( {\sum _{k = 1}^n {D_{n - k}^{\left( n \right)}} R_h^k,w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right).\ \end{align*}$
交换方程 (4.15) 的积分顺序并代入 (2.9) 式得到
(4.16) $\begin{align*} \begin{array}{l} \left( {\sum _{k = 1}^n {D_{n - k}^{\left( n \right)}\sum _{j = 1}^n {d_{k - j}^{\left( k \right)}{\nabla _\tau }} } \rho _h^{j - \frac{1}{2}},w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right)\\ = \left( {\sum _{j = 1}^n {{\nabla _\tau }} \rho _h^{j - \frac{1}{2}}\sum\limits_{k = j}^n {D_{n - k}^{\left( n \right)}d_{k - j}^{\left( k \right)}},w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right)\\ = \left( {{\nabla _\tau }\rho _h^{\frac{1}{2}}{\rm{ + }}{\nabla _\tau }\rho _h^{\frac{3}{2}}{\rm{ + }} \cdots {\rm{ + }}{\nabla _\tau }\rho _h^{n - \frac{1}{2}},w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right)\\ = \left( {\frac{1}{2}\left( {\rho _h^1 - \rho _h^0} \right){\rm{ + }}\left( {\rho _h^{\frac{3}{2}} - \rho _h^{\frac{1}{2}}} \right){\rm{ + }}\left( {\rho _h^{\frac{5}{2}} - \rho _h^{\frac{3}{2}}} \right){\rm{ + }} \cdots {\rm{ + }}\left( {\rho _h^{n - \frac{1}{2}} - \rho _h^{n - \frac{3}{2}}} \right),w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right)\\ = \left( {\frac{1}{2}\left( {\rho _h^1 - \rho _h^0} \right){\rm{ + }}\left( {\rho _h^{n - \frac{1}{2}} - \frac{1}{2}\left( {\rho _h^1 + \rho _h^0} \right)} \right),w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right)\\ = \left( {\rho _h^{n - \frac{1}{2}} - \rho _h^0,w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right) = \left( {\rho _h^{n - \frac{1}{2}},w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right). \end{array}\ \end{align*}$
(4.17) $\begin{align*} \left( {\rho _h^{n - \frac{1}{2}},w_h^{n - \frac{1}{2}}} \right) = \left( {\sum _{k = 1}^n {D_{n - k}^{\left( n \right)}{\Delta _h}e_h^{k - \frac{1}{2}} + \sum _{k = 1}^n {D_{n - k}^{\left( n \right)}R_h^k},w_h^{n - \frac{1}{2}}} } \right).\ \end{align*}$
在 $(4.14)$ 和 $(4.17)$ 式中的第二个方程中取 ${w^{n - \frac{1}{2}}} = {{\rm e}^{n - \frac{1}{2}}}$ , 我们有
(4.18) $\begin{align*} \left\{ \begin{array}{rl} \left( {{\rho ^{n - \frac{1}{2}}},{{\rm e}^{n - \frac{1}{2}}}} \right) & = \sum _{k = 1}^n {D_{n - k}^{\left( n \right)}} \left( {{\Delta _h}{{\rm e}^{k - \frac{1}{2}}},{{\rm e}^{n - \frac{1}{2}}}} \right) + \sum _{k = 1}^n {D_{n - k}^{\left( n \right)}\left( {{R^k},{{\rm e}^{n - \frac{1}{2}}}} \right)},\ \\ \left( {{\rho ^{n - \frac{1}{2}}},{{\rm e}^{n - \frac{1}{2}}}} \right)& = \left( {{\delta _t}{{\rm e}^{n - \frac{1}{2}}},{{\rm e}^{n - \frac{1}{2}}}} \right) + \left( {{r^n},{{\rm e}^{n - \frac{1}{2}}}} \right).\ \end{array} \right. \end{align*}$
根据 ${\delta _t}$ 的定义和对方程 (4.18) 两端 $k$ 从 1 到 $n$ 的求和, 我们能得到
(4.19) $\begin{align*} \sum _{k = 1}^n {\left( {{\nabla _\tau }{{\rm e}^k},{{\rm e}^{k - \frac{1}{2}}}} \right)} \ &= \sum _{k = 1}^n {{\tau _k}\sum _{l = 1}^k {D_{k - l}^{\left( k \right)}} \left( {{\Delta _h}{{\rm e}^{l - \frac{1}{2}}},{{\rm e}^{k - \frac{1}{2}}}} \right)} + \sum _{k = 1}^n {{\tau _k}\sum _{l = 1}^k {D_{k - l}^{\left( k \right)}} \left( {{R^l},{{\rm e}^{k - \frac{1}{2}}}} \right)} \\ & - \sum _{k = 1}^n {{\tau _k}\left( {{r^k},{{\rm e}^{k - \frac{1}{2}}}} \right)}.\ \end{align*}$
(4.20) $\begin{aligned} \sum _{k = 1}^n {\left( {{\nabla _\tau }{{\rm e}^k},{{\rm e}^{k - \frac{1}{2}}}} \right)} \ & =\sum _{k = 1}^n {\left( {{{\rm e}^k} - {{\rm e}^{k - 1}},\frac{1}{2}\left( {{{\rm e}^k} + {{\rm e}^{k - 1}}} \right)} \right)} \ \\ & =\frac{1}{2}\sum _{k = 1}^n {\left( {{{\left\| {{{\rm e}^k}} \right\|}^2} - {{\left\| {{{\rm e}^{k - 1}}} \right\|}^2}} \right)} \ \\ & = \frac{1}{2}\left( {{{\left\| {{{\rm e}^n}} \right\|}^2} - {{\left\| {{e^0}} \right\|}^2}} \right) = \frac{1}{2}{\left\| {{{\rm e}^n}} \right\|^2}.\ \end{aligned}$
从引理 2.3 可以得出离散卷积核 $D_{n - k}^{\left( n \right)}$ 具有正定性的结论, 我们得到
(4.21) $\sum _{k = 1}^n {{\tau _k}\sum _{l = 1}^k {D_{k - l}^{\left( k \right)}} \left( {{\Delta _h}{{\rm e}^{l - \frac{1}{2}}},{{\rm e}^{k - \frac{1}{2}}}} \right)} = - \sum _{k = 1}^n {{\tau _k}\sum _{l = 1}^k {D_{k - l}^{\left( k \right)}} \left( {{\nabla _h}{{\rm e}^{l - \frac{1}{2}}},{\nabla _h}{{\rm e}^{k - \frac{1}{2}}}} \right)} \le 0. $
将 (4.20) 和 (4.21) 式代入方程式 (4.19) 得到
(4.22) $\left\|\mathrm{e}^n\right\|^2 \leq 2 \sum_{k=1}^n \tau_k \sum_{l=1}^k D_{k-l}^{(k)}\left\|R^l\right\| \cdot\left\|\mathrm{e}^{k-\frac{1}{2}}\right\|+2 \sum_{k=1}^n \tau_k\left\|r^k\right\| \cdot\left\|\mathrm{e}^{k-\frac{1}{2}}\right\|.$
选择一些整数 ${n_0}\left( {0 \le {n_0} \le n} \right)$ 满足 $ \left\| {{{\rm e}^{{n_0}}}} \right\| = \mathop {\max } _{0 \le k \le n} \left\| {{{\rm e}^k}} \right\|\ $ , 在 (4.22) 式中取 $n = {n_0},$ 我们有
(4.23) ${\left\| {{{\rm e}^{{n_0}}}} \right\|^2} \le 2\sum _{k = 1}^n {{\tau _k}\sum _{l = 1}^k {D_{k - l}^{\left( k \right)}} \left\| {{R^l}} \right\|.\left\| {{{\rm e}^{{n_0}}}} \right\|} + 2\sum _{k = 1}^n {{\tau _k}\left\| {{r^k}} \right\|.\left\| {{{\rm e}^{{n_0}}}} \right\|}.$
基于引理 2.3 和引理 2.5, 综合方程 (3.6) 和 (3.1) 可得
(4.24) $\begin{aligned} \left\| {{{\rm e}^n}} \right\|\ & \le \left\| {{{\rm e}^{{n_0}}}} \right\| \le 2\sum _{k = 1}^n {{\tau _k}\left( {\sum _{l = 1}^k {D_{k - l}^{\left( k \right)}} \left\| {{R^l}} \right\|} \right)} + 2\sum _{k = 1}^n {{\tau _k}\left\| {{r^k}} \right\|} \ \\ & \le 2{c_0}{t_n}\tau _n^2 + 2{t_n}\mathop {\max } _{1 \le k \le n} \sum _{l = 1}^k {D_{k - l}^{\left( k \right)}} \left( {\left\| {{\xi ^l}} \right\| + \left\| {{\eta ^l}} \right\|} \right)\ \\ & \le {c_u}\left( {\mathop {\max } _{1 \le k \le n} \sum _{j = 1}^k {D_{k - j}^{\left( k \right)}} d_0^{\left( j \right)}\int _{{t_{j - \frac{3}{2}}}}^{{t_{j - \frac{1}{2}}}} {\left( {2\left( {t - {t_{j - \frac{3}{2}}}} \right) - \frac{{2\left( {t - {t_{j - 1}}} \right)\left( {{t_{j - \frac{1}{2}}} - t} \right)}}{{{\tau _{j + \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{j - \frac{1}{2}}} + {\tau _{j + \frac{1}{2}}}} \right)}}} \right.} } \right.\ \\ & + \left. {\left. {\frac{{2\left( {t - {t_{j - 1}}} \right)\left( {t - {t_{j - \frac{3}{2}}}} \right)}}{{{\tau _{j + \frac{1}{2}}}\left( {{\tau _{j - \frac{1}{2}}} + {\tau _{j + \frac{1}{2}}}} \right)}}} \right)\left| {\ddot u\left( t \right)} \right|{\rm d}t + t_{n - \frac{1}{2}}^{\beta - 1}{h^2} + {t_n}\tau _n^2} \right)\ \\ & \le {c_u}\left( {{N^{ - \min \left\{ {\gamma \mu,3 - \alpha } \right\}}} + t_{n - \frac{1}{2}}^{\beta - 1}{h^2} + {t_n}\tau _n^2} \right).\ \end{aligned}$
其中, ${c_u}$ 是一个独立常数. 如果 B2 成立, 我们将得到,
$\left\| {{{\rm e}^n}} \right\| \le {c_u}\left( {{N^{ - \min \left\{ {\gamma \mu,2} \right\}}} + t_{n - \frac{1}{2}}^{\beta - 1}{h^2} + {t_n}\tau _n^2} \right).\ $
4.4 有限元格式在 ${H^1}$ - 范数下的收敛性
最后, 我们证明了所提出的有限元公式 (3.7) 在 ${H^1}$ - 范数下的收敛性.
定理4.4 所提出的 BDF2 型有限元公式 (3.7) 在 $H^1$ - 范数下是收敛的. 误差估计如下
${\left\| {{{\rm e}^n}} \right\|_1} \le {c_u}\left( {{N^{ - \min \left\{ {\gamma \mu,3 - \alpha } \right\}}} + t_{n - \frac{1}{2}}^{\beta - 1}h + {t_n}\tau _n^2} \right).\ $
${\left\| {{{\rm e}^n}} \right\|_1} \le {c_u}\left( {{N^{ - \min \left\{ {\gamma \mu,2} \right\}}} + t_{n - \frac{1}{2}}^{\beta - 1}h + {t_n}\tau _n^2} \right).\ $
证 时间误差由定理 4.3 得到, 空间误差由逆不等式得到,
(4.31) ${\left| {{{\rm e}^n}} \right|_1} \le C{h^{ - 1}}\left\| {{{\rm e}^n}} \right\| \le {c_u}\left( {{N^{ - \min \left\{ {\gamma \mu,3 - \alpha } \right\}}} + t_{n - \frac{1}{2}}^{\beta - 1}h + {t_n}\tau _n^2} \right). $
${\left\| {{{\rm e}^n}} \right\|_1} \le C{\left| {{{\rm e}^n}} \right|_1} \le {c_u}\left( {{N^{ - \min \left\{ {\gamma \mu,3 - \alpha } \right\}}} + t_{n - \frac{1}{2}}^{\beta - 1}h + {t_n}\tau _n^2} \right).\ $
${\left\| {{{\rm e}^n}} \right\|_1} \le {\left| {{{\rm e}^n}} \right|_1} \le C{h^{ - 1}}\left\| {{{\rm e}^n}} \right\| \le {c_u}\left( {{N^{ - \min \left\{ {\gamma \mu,2} \right\}}} + t_{n - \frac{1}{2}}^{\beta - 1}h + {t_n}\tau _n^2} \right).\ $
5 数值实验
在本节中, 我们使用分数阶扩散—波动方程的数值算例来验证所提出的 BDF2 型有限元格式在非均匀网格上的收敛性. 分别在 $L^2$ - 范数和 $H^1$ - 半范数下计算了该方法的收敛阶和误差.
$_0^CD_t^\beta v - \Delta v = f,{x_h} \in {\left( {0,1} \right)^2},t \in \left[ {0,1} \right],\ $
$f\left( {x,t} \right) = (\frac{{\Gamma \left( 3 \right)}}{{\Gamma \left( {4 - \beta } \right)}}{t^{3 - \beta }} + 2{\pi ^2}{t^2})\sin \pi x\sin \pi y,\ $
$v\left( {x,t} \right) = {t^2}\sin \pi x\sin \pi y.\ $
${e_1}\left( N \right) = \left\| {{V^N} - {v^N}} \right\|,{e_2}\left( N \right) = {\left| {{V^N} - {v^N}} \right|_1},\ $
例 5.1 是线性时间分数阶扩散—波动方程的时间收敛阶和空间收敛阶的结果. 我们取等级网格${t_n} = T(n /N)^{2 / \mu }$ . 在时间方向上选择 $50,100,150,200,250$ 个节点, 空间方向上选择 $40,48,56,64$ 个节点. 其中, $\mu = \beta-1,$ 表1 和表2 分别展示了有限元格式 (3.7) 在时间方向和空间方向上的 $L^2$ - 范数和 $H^1$ - 半范数误差和收敛阶数. 我们注意到表1 在不同参数$\gamma$ 下, 时间分数阶的 $L^2$ - 范数和 $H^1$ - 半范数收敛结果均为 2 阶. 表2 中有限元格式 (3.7) 在空间上分别为 2 阶和 1 阶收敛, 这与我们的理论结果相一致.
$_0^CD_t^\beta v - \Delta v = f,{x_h} \in {\left( {0,1} \right)^2},t \in \left[ {0,1} \right],\ $
$f\left( {x,t} \right) = (\Gamma \left( \beta \right) + 2{\pi ^2}{t^{\beta - 1}})\sin \pi x\sin \pi y,\ $
$v\left( {x,t} \right) = {t^{\beta - 1}}\sin \pi x\sin \pi y.\ $
${e_1}\left( N \right) = \left\| {{V^N} - {v^N}} \right\|,{e_2}\left( N \right) = {\left| {{V^N} - {v^N}} \right|_1},\ $
例 5.2 是线性时间分数阶扩散—波动方程的时间收敛阶和空间收敛阶的结果. 与例 5.1 相比, 该分数阶方程具有更强的初值奇异性. 我们取等级网格${t_n} = T(n /N)^{2 / \mu }$ . 在时间方向上选择 $50,100,150,200,250$ 个节点, 空间方向上选择 $40,48,56,64$ 个节点. 其中, $ \mu = \beta-1,$ 表3 和表4 分别展示了有限元格式 (3.7) 在时间方向和空间方向上的$L^2$ - 范数和 $H^1$ - 半范数误差和收敛阶数. 我们注意到表3 在不同参数 $\gamma$ 下, 时间分数阶的 $L^2$ - 范数和 $H^1$ - 半范数收敛结果均为 2 阶. 表4 中有限元格式 (3.7) 在空间上分别为 2 阶和 1 阶收敛, 这与我们的理论结果相一致.
6 结论
基于 Caputo 导数初值 $t = 0$ 附近的弱奇异性问题, 本文研究了具有 $\beta,\left( {1 < \beta < 2} \right)$ 阶 Caputo 分数阶导数的分数阶扩散-波动方程. 首先, 在非均匀时间半网格上建立了具有离散系数核的 BDF2 公式, 并引入了离散系数核和离散卷积核的相关引理. 该工具简化了算法的理论分析过程, 具有高效性和创新性. 通过使用具有积分型余项的插值误差, 分析了误差卷积结构, 并构建了具有离散卷积核的时间全局误差.
由于有限元方法是一种构建空间网格的有效数值方法, 具有丰富的理论分析结果, 因此使用此方法进行空间离散化是适当的. 我们将降阶方法与具有离散系数核的 BDF2 公式相结合, 构建了一个全离散的 BDF2 型有限元格式, 并使用离散卷积核分析了该格式在 $L^2$ - 范数和 $H^1$ - 范数下的稳定性和收敛性.
在数值例子中, 我们使用等级网格进行验证, 并使用具有各种分级参数 $\gamma$ 的扩散-波动方程进行实验. 实验结果表明, 在 $L^2$ - 范数和 $H^1$ - 范数下, 所提出的有限元格式的时间收敛阶为 $\min \left\{ {\gamma \mu,2} \right\}$ 阶, 空间收敛阶为 2 阶和 1 阶. 一方面, 这与理论分析结果一致. 另一方面, 获得的时间收敛阶数不取决于正则化参数 $\mu$ 的选择. 在未来的研究中, 我们将探索求解非均匀网格上分布阶分数阶方程的高阶数值方法. 这将包括二阶 BDF2 格式和 L2-${1_\sigma}$ 格式, 以进一步研究稳定性结果.
参考文献
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2022
... 整数阶方程的局部性行为[1 ,2 ] 造成了在理论分析和数值模拟上的巨大困难, 因此对分数阶偏微分方程进行研究有着重要意义. 分数阶偏微分方程在经济、材料和生物学等各个领域有着广泛应用. 具体应用于分数阶布朗运动下的动力学模型[3 ] 、多孔介质中的扩散现象 (如亚扩散和超扩散)[4 ] 以及污染物浓度模型[5 ] 等. 在求解分数阶偏微分方程时, 主要的挑战在于离散具有非局部效应的分数阶导数, 本文提出了一个框架来设计快速稳定的算法解决此类问题. ...
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2019
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分数阶 Burgers 方程时间周期弱解的唯一性与渐近稳定性
1
2023
... Caputo 型导数作为常见的分数阶算子, 常常被用于时间分数阶方程的数值离散过程中. 近年来, 许多学者[6 ,7 ] 针对均匀网格和等级网格的 Caputo 型导数进行研究, 主要是针对 $t = 0$ 附近的弱奇异性进行分析. Jannelli[8 ] 针对拟均匀网格下非线性两点分数阶边值问题进行误差分析, 通过数值实验展示了其一致性、稳定性和收敛性. Li 和 Sun 等[9 ] 在均匀网格和等级网格上采用 $s = {t^\beta }$ 进行变量替换, 处理 $t = 0$ 附近解的弱奇异性, 数值结果表明收敛阶为 $2-\alpha$ 阶. ...
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2021
... Caputo 型导数作为常见的分数阶算子, 常常被用于时间分数阶方程的数值离散过程中. 近年来, 许多学者[6 ,7 ] 针对均匀网格和等级网格的 Caputo 型导数进行研究, 主要是针对 $t = 0$ 附近的弱奇异性进行分析. Jannelli[8 ] 针对拟均匀网格下非线性两点分数阶边值问题进行误差分析, 通过数值实验展示了其一致性、稳定性和收敛性. Li 和 Sun 等[9 ] 在均匀网格和等级网格上采用 $s = {t^\beta }$ 进行变量替换, 处理 $t = 0$ 附近解的弱奇异性, 数值结果表明收敛阶为 $2-\alpha$ 阶. ...
A Positivity-Preserving and robust fast solver for Time-Fractional Convection-Diffusion problems
1
2024
... 具有 Caputo 型导数的扩散-波动方程是一种经典的时间分数阶偏微分方程. 对于此类方程的研究方法和数值格式很多, 常在时间上采用 L1 格式、L2-${1_\sigma}$ 格式、L2格式等, 在空间上采用有限差分方法和有限元方法进行求解. 如 Yu 和 Sun 等[10 ] 采用快速算法和 L1 格式来求解等级网格上的时间分数阶扩散方程, 数值结果表明收敛阶为 $2-\alpha$ 阶. Feng 和 Liu[11 ] 采用 L1 型有限元方法求解多项时间分数阶扩散-波动方程, 给出了数值格式的稳定性和收敛性分析. Hu 和 Alikhanov 等[12 ] 采用 L2 型有限元格式来求解等级网格上的时间分数阶扩散方程, 给出了数值格式的稳定性分析. 由于 BDF2 格式是通过二次函数进行插值, 收敛阶数为 $3-\alpha$ 阶并可推广至 2 阶, 具有较高的精度, 本文重点研究 BDF2 格式求解时间分数阶扩散-波动方程. ...
Fast High-Order compact finite difference methods based on the averaged L1 formula for a Time-Fractional Mobile-Immobile diffusion problem
1
2024
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2022
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2022
... Qiao 和 Guo 等[13 ] 在等级网格上采用 BDF2 格式求解二维时间分数阶积分-微分方程, 空间采用 ADI 算法, 得到了该方程的全离散隐式格式, 证明了 $L^2$ - 范数下的稳定性和收敛性. Yin 和 Liu 等[14 ] 在均匀网格上采用 BDF2 格式求解多项时间分数阶扩散-波动方程, 空间上采用有限元方法, 结合移位卷积求积方法, 证明了$L^2$ - 范数下的无条件稳定性. 在构造 BDF2 等高阶数值格式时, 往往通过指数和近似来进行理论分析. Liao等[15 ] 在非均匀网格上采用 L2-${1_\sigma}$ 格式求解时间分数阶次扩散方程, 通过指数和近似进行误差卷积结构 (ECS) 分析, 空间上采用有限差分法, 证明了 $L^2$ - 范数下的收敛性, 收敛阶数为 2 阶. ...
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1
2021
... Qiao 和 Guo 等[13 ] 在等级网格上采用 BDF2 格式求解二维时间分数阶积分-微分方程, 空间采用 ADI 算法, 得到了该方程的全离散隐式格式, 证明了 $L^2$ - 范数下的稳定性和收敛性. Yin 和 Liu 等[14 ] 在均匀网格上采用 BDF2 格式求解多项时间分数阶扩散-波动方程, 空间上采用有限元方法, 结合移位卷积求积方法, 证明了$L^2$ - 范数下的无条件稳定性. 在构造 BDF2 等高阶数值格式时, 往往通过指数和近似来进行理论分析. Liao等[15 ] 在非均匀网格上采用 L2-${1_\sigma}$ 格式求解时间分数阶次扩散方程, 通过指数和近似进行误差卷积结构 (ECS) 分析, 空间上采用有限差分法, 证明了 $L^2$ - 范数下的收敛性, 收敛阶数为 2 阶. ...
An explicit finite difference method and a new von Neumann-type stability analysis for fractional diffusion equations
1
2005
... 截止到目前, 尚未有在非均匀网格上采用 BDF2 有限元方法求解时间分数阶扩散-波动方程的论文, 这也是本文研究的主要目的. 由于有限元方法的理论分析较为完善, 因此选择该方法求解带有初值奇异性的 Caputo 型导数是合适的. 在现有求解分数阶扩散-波动方程的理论分析中, 往往需要离散分数阶 Gr$\rm\ddot o$ nwall 不等式证明算法的稳定性与收敛性. 在本文中, 提出了一种不同于传统文献[16 -18 ]的数值方法, 将 BDF2 公式与互补卷积 (DCC) 核[19 ] 相结合, 以证明有限元格式的稳定性和收敛性. 本文利用时间的非均匀 BDF2 公式和空间的有限元方法来实现离散化的数值格式. 分析了离散化有限元公式在 $L^2$ - 范数和 $H^1$ - 范数下的稳定性和误差, 通过数值算例验证了其在时间和空间上的收敛阶. 数值结果表明, 该有限元方法在时间和空间上都达到了最优收敛阶, 具有较高的精度和计算效率. ...
Numerical simulations based on shifted second-order difference/finite element algorithms for the time fractional Maxwell's system
2022
An efficient technique based on finite difference/finite element method for solution of two-dimensional space/multi-time fractional Bloch-Torrey equations
1
2018
... 截止到目前, 尚未有在非均匀网格上采用 BDF2 有限元方法求解时间分数阶扩散-波动方程的论文, 这也是本文研究的主要目的. 由于有限元方法的理论分析较为完善, 因此选择该方法求解带有初值奇异性的 Caputo 型导数是合适的. 在现有求解分数阶扩散-波动方程的理论分析中, 往往需要离散分数阶 Gr$\rm\ddot o$ nwall 不等式证明算法的稳定性与收敛性. 在本文中, 提出了一种不同于传统文献[16 -18 ]的数值方法, 将 BDF2 公式与互补卷积 (DCC) 核[19 ] 相结合, 以证明有限元格式的稳定性和收敛性. 本文利用时间的非均匀 BDF2 公式和空间的有限元方法来实现离散化的数值格式. 分析了离散化有限元公式在 $L^2$ - 范数和 $H^1$ - 范数下的稳定性和误差, 通过数值算例验证了其在时间和空间上的收敛阶. 数值结果表明, 该有限元方法在时间和空间上都达到了最优收敛阶, 具有较高的精度和计算效率. ...
A discrete Gronwall inequality with applications to numerical schemes for subdiffusion problems
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2019
... 截止到目前, 尚未有在非均匀网格上采用 BDF2 有限元方法求解时间分数阶扩散-波动方程的论文, 这也是本文研究的主要目的. 由于有限元方法的理论分析较为完善, 因此选择该方法求解带有初值奇异性的 Caputo 型导数是合适的. 在现有求解分数阶扩散-波动方程的理论分析中, 往往需要离散分数阶 Gr$\rm\ddot o$ nwall 不等式证明算法的稳定性与收敛性. 在本文中, 提出了一种不同于传统文献[16 -18 ]的数值方法, 将 BDF2 公式与互补卷积 (DCC) 核[19 ] 相结合, 以证明有限元格式的稳定性和收敛性. 本文利用时间的非均匀 BDF2 公式和空间的有限元方法来实现离散化的数值格式. 分析了离散化有限元公式在 $L^2$ - 范数和 $H^1$ - 范数下的稳定性和误差, 通过数值算例验证了其在时间和空间上的收敛阶. 数值结果表明, 该有限元方法在时间和空间上都达到了最优收敛阶, 具有较高的精度和计算效率. ...
A fast time two-mesh finite volume element algorithm for the nonlinear time-fractional coupled diffusion model
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2023
... 本文中的模型是一个时间分数阶超扩散波动方程[20 ,21 ] , 方程的具体形式如下 ...
A novel RBF-based meshless method for solving time-fractional transport equations in 2D and 3D arbitrary domains
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2023
... 本文中的模型是一个时间分数阶超扩散波动方程[20 ,21 ] , 方程的具体形式如下 ...
Convergence and superconvergence analysis of finite element methods for the time fractional diffusion equation
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2020
... 对于非均匀时间层 $0 = {t_0} < {t_1} < {t_2} < \cdots < {t_N} = T,$ 设 $N$ 为正整数, 设 $ {\tau _n} = {t_n} - {t_{n - 1}}$ 为第 $n$ 个步长并且${\tau _{n - \frac{1}{2}}} = \frac{{{\tau _n} + {\tau _{n - 1}}}}{2},{\tau _{\frac{1}{2}}} = \frac{{{\tau _1}}}{2},$ 设 ${t_{n - \frac{1}{2}}} = {t_{n - 1}} + \frac{{{\tau _n}}}{2},{t_{ - \frac{1}{2}}} = {t_0}.$ 设 ${\rho _n} = {\tau} _{n} / {\tau}_{n+1} $ 为步长比. 接下来, 令 ${\Pi _{1,n}}u$ 和 ${\Pi _{2,n}}u$ 分别为节点的线性插值和二次插值函数, 如参考文献[22 ]所定义, ...
Sharp error estimate of the nonuniform L1 formula for linear reaction-subdiffusion equations
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2018
... 证 这一结果的证明来自参考文献[23 ,引理 3.1]. ...
... 证 方程式 $(2.12)$ - $(2.13)$ 的证明可以在参考文献[23 ,引理 2.1]中找到. ...
... 证 引理 2.4 的证明过程可以从参考文献[23 ,引理 3.1]中获得. ...