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Spatial High Accuracy Analysis of FEM for Two-dimensional Multi-term Time-fractional Diffusion-wave Equations
1
作者 Ya-bing WEI Yan-min ZHAO +2 位作者 Zheng-guang SHI Fen-ling WANG Yi-fa TANG 《Acta Mathematicae Applicatae Sinica》 SCIE CSCD 2018年第4期828-841,共14页
In this paper, high-order numerical analysis of finite element method(FEM) is presented for twodimensional multi-term time-fractional diffusion-wave equation(TFDWE). First of all, a fully-discrete approximate sche... In this paper, high-order numerical analysis of finite element method(FEM) is presented for twodimensional multi-term time-fractional diffusion-wave equation(TFDWE). First of all, a fully-discrete approximate scheme for multi-term TFDWE is established, which is based on bilinear FEM in spatial direction and Crank-Nicolson approximation in temporal direction, respectively. Then the proposed scheme is proved to be unconditionally stable and convergent. And then, rigorous proofs are given here for superclose properties in H-1-norm and temporal convergence in L-2-norm with order O(h-2+ τ-(3-α)), where h and τ are the spatial size and time step, respectively. At the same time, theoretical analysis of global superconvergence in H-1-norm is derived by interpolation postprocessing technique. At last, numerical example is provided to demonstrate the theoretical analysis. 展开更多
关键词 multi-term time-fractional diffusion-wave equation bilinear finite element method Crank-Nicolsonapproximation stability convergence and superconvergence
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Finite element multigrid method for multi-term time fractional advection diffusion equations 被引量:1
2
作者 Weiping Bu Xiangtao Liu +1 位作者 Yifa Tang Jiye Yang 《International Journal of Modeling, Simulation, and Scientific Computing》 EI 2015年第1期1-25,共25页
In this paper,a class of multi-term time fractional advection diffusion equations(MTFADEs)is considered.By finite difference method in temporal direction and finite element method in spatial direction,two fully discre... In this paper,a class of multi-term time fractional advection diffusion equations(MTFADEs)is considered.By finite difference method in temporal direction and finite element method in spatial direction,two fully discrete schemes of MTFADEs with different definitions on multi-term time fractional derivative are obtained.The stability and convergence of these numerical schemes are discussed.Next,a V-cycle multigrid method is proposed to solve the resulting linear systems.The convergence of the multigrid method is investigated.Finally,some numerical examples are given for verification of our theoretical analysis. 展开更多
关键词 multi-term time fractional advection diffusion equation finite element method stability CONVERGENCE V-cycle multigrid method
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多项时间分数阶混合扩散-波动方程ADI有限差分法
3
作者 黎丽梅 易云玲 +1 位作者 郭欣雨 郭广源 《湖南理工学院学报(自然科学版)》 CAS 2024年第3期1-7,共7页
用交替方向隐式(ADI)有限差分法研究多项时间分数阶混合扩散-波动方程的数值解,在时间方向上,采用降阶的方法,将扩散项和波动项转化为RL积分项和扩散项,分别使用L2-1和L1公式逼近;空间方向结合二阶中心差商离散,并通过数值算例验证差分... 用交替方向隐式(ADI)有限差分法研究多项时间分数阶混合扩散-波动方程的数值解,在时间方向上,采用降阶的方法,将扩散项和波动项转化为RL积分项和扩散项,分别使用L2-1和L1公式逼近;空间方向结合二阶中心差商离散,并通过数值算例验证差分格式的有效性. 展开更多
关键词 多项时间分数阶混合扩散-波动方程 交替方向隐式法 有限差分法
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时空分数阶扩散波动方程的初值识别问题
4
作者 杨帆 曹英 李晓晓 《数学物理学报(A辑)》 CSCD 北大核心 2023年第2期377-398,共22页
研究具有时空分数阶导数的扩散波动方程的初值识别反问题.分析该反问题的不适定性,给出条件稳定性结果.利用Tikhonov正则化方法恢复解的稳定性,并分别给出在先验和后验正则化参数选取规则下,正则解和精确解之间的误差估计.通过数值算例... 研究具有时空分数阶导数的扩散波动方程的初值识别反问题.分析该反问题的不适定性,给出条件稳定性结果.利用Tikhonov正则化方法恢复解的稳定性,并分别给出在先验和后验正则化参数选取规则下,正则解和精确解之间的误差估计.通过数值算例说明Tikhonov正则化方法求解此类反问题非常有效. 展开更多
关键词 时空分数阶扩散波动方程 不适定问题 初值识别 TIKHONOV正则化方法 误差估计
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多项时间分数阶扩散方程H^(1)-Galerkin混合元方法的超逼近分析 被引量:1
5
作者 史艳华 王芬玲 《许昌学院学报》 CAS 2022年第5期1-6,共6页
主要讨论二维多项时间分数阶扩散方程的H^(1)-Galerkin混合元方法.空间上借助不完全双二次元和一阶BDFM元,时间方向上利用修正的L^(1)格式,建立了该方程的全离散逼近格式.首先证明了该格式的稳定性.然后借助单元性质和已有的高精度结果... 主要讨论二维多项时间分数阶扩散方程的H^(1)-Galerkin混合元方法.空间上借助不完全双二次元和一阶BDFM元,时间方向上利用修正的L^(1)格式,建立了该方程的全离散逼近格式.首先证明了该格式的稳定性.然后借助单元性质和已有的高精度结果,得到了原始变量在H^(1)模意义下和中间变量在H(div,Ω)模意义下具有O(h^(3)+τ^(2-αs))的超逼近结果,这里h为空间步长,τ为时间步长,α_(s)为分数阶微分算子的最高阶数. 展开更多
关键词 多项时间分数阶扩散方程 H^(1)-Galerkin混合元方法 稳定性 超逼近
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时间分数阶四阶扩散方程H~1-Galerkin混合元方法的误差分析 被引量:1
6
作者 史艳华 王芬玲 《许昌学院学报》 CAS 2021年第5期7-11,共5页
主要研究时间分数阶四阶扩散方程的H^(1)-Galerkin有限元方法.首先通过引入中间变量,将分数阶四阶抛物方程变成一阶分数阶微分方程组.然后在时间方向上利用修正的L1格式,空间上借助双线性元和零阶Raviart-Thomas(R-T)元,构造其相应的全... 主要研究时间分数阶四阶扩散方程的H^(1)-Galerkin有限元方法.首先通过引入中间变量,将分数阶四阶抛物方程变成一阶分数阶微分方程组.然后在时间方向上利用修正的L1格式,空间上借助双线性元和零阶Raviart-Thomas(R-T)元,构造其相应的全离散逼近格式.利用插值算子的高精度结果和离散的Gron-wall引理,得到了原始变量和中间变量的超逼近性质和误差结果. 展开更多
关键词 分数阶四阶抛物方程 H^(1)-Galerkin混合有限元法 误差估计 超逼近
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分离变量法解三维的分数阶混合扩散-波动方程的初边值问题 被引量:1
7
作者 王学彬 《武夷学院学报》 2008年第5期18-21,43,共5页
本文考虑在有限区间上三维的时间分数阶混合扩散-波动方程的初边值问题。使用分离变量法,导出三维的时间分数阶混合扩散方程和初边值问题的基本解。
关键词 分数阶混合扩散-波动方程 初边值问题 分离变量法 CAPUTO导数
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混合边界条件下广义二维多项时间分数阶扩散方程的解析解
8
作者 王学彬 《浙江大学学报(理学版)》 CAS CSCD 北大核心 2016年第4期406-410,共5页
广义多项时间分数阶扩散方程已被用于描述一些重要的物理现象,目前,有关该类方程在高维情形下满足混合边界条件的研究仍较少.利用分离变量法考虑有界区域上广义二维多项时间分数阶扩散方程,方程中关于时间变量的分数阶导数采用Caputo分... 广义多项时间分数阶扩散方程已被用于描述一些重要的物理现象,目前,有关该类方程在高维情形下满足混合边界条件的研究仍较少.利用分离变量法考虑有界区域上广义二维多项时间分数阶扩散方程,方程中关于时间变量的分数阶导数采用Caputo分数阶导数的定义,其阶分别定义在[0,1],[1,2].而关于空间变量的偏导数则定义为传统的整数阶导数(二阶),得到了有界区域上广义二维多项时间分数阶扩散方程满足非齐次混合边界条件的解析解.亦可用于求解其他类型的满足不同边界条件的分数阶微分方程的解析解. 展开更多
关键词 混合边界条件 分离变量法 分数阶扩散方程
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求解四阶多项时间分数阶混合扩散-波方程的二阶差分格式
9
作者 高广花 徐鹏 《扬州大学学报(自然科学版)》 CAS 北大核心 2022年第4期24-35,共12页
为求解二维四阶多项时间分数阶混合扩散-波方程,基于降阶法将时间分数阶扩散项和分数阶波动项分别转换为时间分数阶积分项和扩散项,并在时间方向分别应用L2-1公式和分片线性插值方法进行离散,对空间四阶导数项也进行降阶处理,建立差分... 为求解二维四阶多项时间分数阶混合扩散-波方程,基于降阶法将时间分数阶扩散项和分数阶波动项分别转换为时间分数阶积分项和扩散项,并在时间方向分别应用L2-1公式和分片线性插值方法进行离散,对空间四阶导数项也进行降阶处理,建立差分求解格式.利用能量分析法对所得格式的稳定性和收敛性进行严格分析,结果显示其无条件稳定且在时间和空间方向上都是二阶收敛.数值算例证实所得数值格式的精度和有效性. 展开更多
关键词 四阶多项时间分数阶混合扩散-波方程 差分格式 稳定性 收敛性
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时间分数阶扩散波方程的无单元Galerkin法分析 被引量:2
10
作者 吴迪 李小林 《应用数学和力学》 CSCD 北大核心 2022年第2期215-223,共9页
利用无单元Galerkin法,对Caputo意义下的时间分数阶扩散波方程进行了数值求解和相应误差理论分析.首先用L1逼近公式离散该方程中的时间变量,将时间分数阶扩散波方程转化成与时间无关的整数阶微分方程;然后采用罚函数方法处理Dirichlet... 利用无单元Galerkin法,对Caputo意义下的时间分数阶扩散波方程进行了数值求解和相应误差理论分析.首先用L1逼近公式离散该方程中的时间变量,将时间分数阶扩散波方程转化成与时间无关的整数阶微分方程;然后采用罚函数方法处理Dirichlet边界条件,并利用无单元Galerkin法离散整数阶微分方程;最后推导该方程无单元Galerkin法的误差估计公式.数值算例证明了该方法的精度和效果. 展开更多
关键词 时间分数阶扩散波方程 无单元Galerkin法 L1逼近公式 误差估计
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一类半线性时间分数阶扩散-波动方程解的整体存在唯一性
11
作者 何鑫海 刘梅 杨晗 《数学物理学报(A辑)》 CSCD 北大核心 2022年第6期1705-1718,共14页
该文研究一类半线性时间分数阶扩散-波动方程的柯西问题,基于线性问题的L^(r)-L^(q)估计,通过整体迭代法,在小初值的情况下研究非线性项指数对于解的整体存在性影响,在指数满足一定条件的情况下证明了整体解的存在唯一性.
关键词 时间分数阶扩散-波动方程 柯西问题 小初值 整体解
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时空分数阶扩散方程的最小二乘混合型有限元方法 被引量:1
12
作者 刘思宇 陈焕贞 《山东师范大学学报(自然科学版)》 CAS 2019年第2期137-145,共9页
本文考虑时空分数阶扩散问题的数值模拟.通过引入通量u=-Dp作为中间变量,将分数阶扩散方程化为一阶微分方程组,构造了相应的最小二乘泛函与变分问题,证明了最小二乘问题与变分问题的等价性.据此,对时空分数阶扩散方程建立了最小二乘混... 本文考虑时空分数阶扩散问题的数值模拟.通过引入通量u=-Dp作为中间变量,将分数阶扩散方程化为一阶微分方程组,构造了相应的最小二乘泛函与变分问题,证明了最小二乘问题与变分问题的等价性.据此,对时空分数阶扩散方程建立了最小二乘混合型有限元离散格式,利用双线性形式满足Garding不等式,证明了离散格式解的存在唯一性与收敛性估计,并进行了数值实验. 展开更多
关键词 时空分数阶扩散方程 最小二乘 有限元方法 Garding不等式 误差估计 数值实验
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分数阶扩散方程的混合元预处理方法
13
作者 刘瑞宁 陈焕贞 《山东师范大学学报(自然科学版)》 CAS 2017年第4期1-11,共11页
通过引入通量p=-K(x)Du作为中间变量,提出了对变系数的时空分数阶扩散问题的全离散混合型有限元方法,证明了全离散混合型线性有限元解的存在唯一性.进一步,为克服有限元方程组中由分数阶算子的非局部性所导致的计算量和存储量显著增加... 通过引入通量p=-K(x)Du作为中间变量,提出了对变系数的时空分数阶扩散问题的全离散混合型有限元方法,证明了全离散混合型线性有限元解的存在唯一性.进一步,为克服有限元方程组中由分数阶算子的非局部性所导致的计算量和存储量显著增加等困难,构造了由循环矩阵表达的预处理子,从而,形成了一种预条件稳定的双共轭梯度算法.较传统的Guass消去法和双共轭梯度方法,新的算法明显降低了迭代次数,缩短了计算时间. 展开更多
关键词 时空分数阶扩散方程 变系数 混合型有限元方法 稳定的双共轭方法 预处理子
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多项时间混合分数阶扩散波动方程的类Wilson非协调元超收敛分析
14
作者 樊明智 赵艳敏 +2 位作者 王芬玲 史艳华 范慧君 《数学的实践与认识》 2024年第10期130-143,共14页
基于时间方向采用混合有限差分近似和空间方向选取类Wilson非协调有限元逼近,对带时-空耦合导数的多项时间混合分数阶扩散波动方程建立了全离散高效数值格式.首先,证明了全离散格式的解在能量模意义下的无条件稳定性.然后,利用该元的相... 基于时间方向采用混合有限差分近似和空间方向选取类Wilson非协调有限元逼近,对带时-空耦合导数的多项时间混合分数阶扩散波动方程建立了全离散高效数值格式.首先,证明了全离散格式的解在能量模意义下的无条件稳定性.然后,利用该元的相容误差估计在L?模意义下可以达到二阶精度和该元协调部分的高精度结果,并借助于双线性插值算子代替传统有限元分析中不可缺少的Ritz投影及插值后处理技术,导出了全离散格式下的超逼近性和超收敛结果最后,运用数值实验模拟分析,验证了理论分析的正确性。 展开更多
关键词 多项时间混合分数阶扩散波动方程 类Wilson非协调有限元 全离散格式 无条件稳定 超逼近和超收敛
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求解一维非齐次分数阶扩散-波动方程的混合边值问题 被引量:3
15
作者 张晓娟 刘发旺 《福州大学学报(自然科学版)》 CAS CSCD 北大核心 2007年第4期515-519,共5页
考虑一维分数阶扩散-波动方程的混合边值问题.利用分离变量方法导出了在混合边界条件下的非齐次分数阶扩散-波动方程的解析解.
关键词 分数阶扩散-波动方程 分离变量方法 非齐次问题 混合边界条件 解析解
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两项时间混合分数阶扩散波动方程的有限元高精度分析 被引量:1
16
作者 魏亚冰 赵艳敏 +3 位作者 唐贻发 王芬玲 史争光 李匡郢 《中国科学:信息科学》 CSCD 北大核心 2018年第7期871-887,共17页
基于空间方向的有限元方法和时间方向的L1-CN格式,本文针对二维两项时间混合分数阶扩散波动方程进行数值分析.首先,给出该方程的全离散逼近格式,并证明其无条件稳定性.然后,严格证明L^2模意义下的收敛结果和H^1模意义下的超逼近结果O(h... 基于空间方向的有限元方法和时间方向的L1-CN格式,本文针对二维两项时间混合分数阶扩散波动方程进行数值分析.首先,给出该方程的全离散逼近格式,并证明其无条件稳定性.然后,严格证明L^2模意义下的收敛结果和H^1模意义下的超逼近结果O(h^2+τ^(min{2-α)1,^(3-α}))(0<α_1<1,1<α<2),这里h和τ分别表示空间和时间步长.进一步地,利用插值后处理技术导出H^1模意义下的整体超收敛结果.最后,借助于数值算例进一步展示理论分析的正确性和高效性. 展开更多
关键词 分数阶扩散波动方程 有限元方法 L1-CN格式 稳定性 超逼近 收敛和超收敛
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高维非齐次时间分数阶扩散-波动方程的解析解问题 被引量:1
17
作者 刘文斌 刘冬兵 《数学的实践与认识》 北大核心 2015年第4期227-231,共5页
分数阶微积分是专门研究任意阶积分和微分的数学性质及其应用的领域,是传统的整数阶微积分的推广,分数阶微分方程是含有非整数阶导数的方程.时间分数阶扩散-波动方程可以用来模拟由传统的扩散-波动方程演变而来的反常扩散方程.考虑在有... 分数阶微积分是专门研究任意阶积分和微分的数学性质及其应用的领域,是传统的整数阶微积分的推广,分数阶微分方程是含有非整数阶导数的方程.时间分数阶扩散-波动方程可以用来模拟由传统的扩散-波动方程演变而来的反常扩散方程.考虑在有限区间上高维非齐次时间分数阶扩散-波动方程的初边值问题.利用分离变量法,导出了高维非齐次时间分数阶扩散-波动方程初边值问题的基本解. 展开更多
关键词 时间分数阶扩散-波动方程 解析解 初边值问题 分离变量法 CAPUTO导数
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四阶分数阶扩散波动方程的两网格混合元快速算法
18
作者 王金凤 尹保利 +1 位作者 刘洋 李宏 《计算数学》 CSCD 北大核心 2022年第4期496-507,共12页
本文研究四阶分数阶扩散波动方程模型的基于新混合元方法的快速两网格算法.讨论该方法的稳定性,推导三个未知函数的L^(2)模意义下的最优误差估计.最后通过数值例子验证两网格混合元算法的高效性和理论结果的正确性。
关键词 四阶时间分数阶扩散波动方程 修正L1公式 两网格算法 混合元方法 误差估计
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时空分数阶扩散方程的扩展混合有限元方法
19
作者 袁琼 杨志伟 付芳芳 《数值计算与计算机应用》 2021年第3期276-288,共13页
文章主要讨论了带有双边Riemann-Liouville分数阶导数的分数阶扩散方程.通过引入未知函数的通量p=-K(θ_(0)I_(x)^(β)+(1-θ)_(x)I_(1)^(β))Du和导数q=Du作为中间变量,建立了相应的鞍点变分格式.基于鞍点格式构造了可同时高精度逼近... 文章主要讨论了带有双边Riemann-Liouville分数阶导数的分数阶扩散方程.通过引入未知函数的通量p=-K(θ_(0)I_(x)^(β)+(1-θ)_(x)I_(1)^(β))Du和导数q=Du作为中间变量,建立了相应的鞍点变分格式.基于鞍点格式构造了可同时高精度逼近未知函数,未知函数导数和分数阶通量的L^(1)全离散扩展混合有限元格式.在数值分析中,借助混合元投影算子的投影误差估计得到关于未知函数u的收敛阶为O(τ^(2-α)+hmin^({k+1,s-1+β/2})),关于函数导数与分数阶数值通量p的收敛阶为O(τ^(2-3α/2)+hmin^({k+1,s-1+β/2}))文中数值实验表明,所提出的L1全离散扩展混合有限元格式具有理想的数值逼近效果. 展开更多
关键词 时空分数阶扩散方程 L^(1)全离散扩展混合有限元格式 数值分析 数值实验
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