几类非线性偏微分方程的高阶数值方法

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本论文共分为四部分.第一部分考虑如下磁—热—弹性波方程:utt=auxx-vx,0<x<1,0<t≤T,  vtt=cvxx-buxtt,0<x<1,0<t≤T.它是一个三阶的偏微分方程组.通过引进新变量w=ut,将原问题转化为等价形式的二阶偏微分方程组(2.0.3),(2.0.4)及w=ut.给出了解的先验估计式.建立了一个三层有限差分格式:δ2twki-a/2(δ2xwk+1i+δ2xwk-1i)+△x△tvki=g1(xi,tk)1≤i≤m-1,1≤k≤n-1,δ2tvki-c/2(δ2xvk+1i+δ2xvk-1i)+b△x△twki=g2(xi,tk),1≤i≤m-1,1≤k≤n-1,2/(Τ)[δtw1/2i-φ2(xi)]-aδ2xw1/2i+△xδtv1/2i=g1(xi,t0),1≤i≤m-1,2/(Τ)[δtv1/2i-ψ2(xi)]-cδ2xv1/2i+b△xδtw1/2i=g2(xi,t0),1≤i≤m-1,uki=u(xi,0)+(Τ)(1/2wki+k-1Σl=1wli+1/2w0i),1≤i≤m-1,1≤k≤n.利用能量分析法,严格证明了该格式的唯一可解性、无条件稳定性和收敛性,证明了在无穷范数下在时间方向和空间方向上的收敛阶均为2.差分格式可以写成两种矩阵形式,可用追赶法或者迭代法计算.通过数值试验,结果显示了该格式的有效性.  第二部分对一类非线性Camassa-Holm(C-H)方程  ut+kux-uxxt=-3uux+uuxxx+2uxuxx展开研究.C-H方程是一个三阶的偏微分方程,针对这一问题,建立了一个守恒型三层线性化的有限差分格式:  δtu1/2i-δtδ2xu1/2i+u0i△xu1/2i+△x(u0iu1/2i)=(△xu1/2i)δ2xu0i+△x(u1/2iδ2πu0i),1≤i≤m-1,△tuki-△tδ2xuki+uki△xu(k)i+△x(ukiu(k)i)=(△xu(k)i)δ2xuki+△x(u(k)iδ2xuki),1≤i≤m-1,1≤k≤n-1.基于能量分析法,证明了该格式的唯一可解性、能量守恒性和无穷范数意义下的条件收敛性且收敛阶为2等相关结论.数值算例验证了上述理论分析的正确性和算法的有效性.  第三部分研究非线性Fermi-Pasta-Ulam方程:  (e)2u(x,t)/(e)t2=[1+(E)(e)u(x,t)/(e)x](e)2u(x,t)/(e)x2-γ(e)u(x,t)/(e)t-m2u(x,t).该方程是一个非线性的双曲方程.针对该问题,建立了一个守恒型三层线性化的有限差分格式:δ2tuki=δ2xu(k)i+(E)/2δx((δxuk)(δxu(k)))i-γ△tuki-m2u(k)i,1≤i≤M-1,1≤k≤N-1,2/(τ)[δtu1/2i-ψ(xi)]=(1+(e)ψ(xi))δ2xu1/2i-γψ(xi)-m2u0i,1≤i≤M-1.用能量分析法讨论了离散能量的守恒性、唯一可解性、稳定性和无穷范数意义下的收敛性,收敛阶为2.数值结果验证了理论分析的正确性.  第四部分讨论了二维相场晶体(PFC)方程:φt=▽·(M(φ)▽μ),(x,y)∈R2,0<t≤T,μ=φ3+(1-(e))φ+2△φ+△2φ,(x,y)∈R2,0<t≤T.该方程是一个六阶的非线性发展方程.针对这一模型,建立了一个三层线性化差分格式:δtφ1/2ij=△h[((φ)ij)2φ1/2ij+(1-(e))φ1/2ij+2△hφ1/2ij+△2hφ1/2ij],1≤i,j≤M,△tφnij=△h[(φnij)2φ(n)ij+(1-(e))φ(n)ij+2△hφ(n)ij+△2hφ(n)ij],1≤i,j≤M,1≤n≤N-1.严格地证明了差分格式的能量稳定性、唯一可解性、和在L2范数下的二阶整体收敛性等相关结论.接着从理论上分析了Zhang,Ma,Qiao(J.comp.phys.249(2013),204-215)建立的关于相场晶体方程的两层非线性差分格式,用不动点定理证明了该差分格式的唯一可解性,用能量分析法证明了该格式在L2范数下的二阶整体收敛性.指出该分析方法对于改进的相场晶体方程也是适用的.
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