几类分数阶偏微分方程的有限差分方法
[Abstract]:In recent years, a large number of experimental results show that some models based on the integral-order derivative can not well reflect some of the phenomena in the real world, such as abnormal diffusion and complex viscoelastic materials. One of the main reasons is that the traditional integer order derivative is defined by the limit of the function, which reflects a local property. This makes fractional-order micro-integral operators with non-local characteristics widely concerned. However, because the exact solution of most fractional differential equations cannot be given explicit, it is necessary and important to study the numerical solution. In view of this, a number of numerical methods are introduced or modified in order to obtain the numerical solutions of the differential equations of fractional order and space-time fractional order. In the first chapter, we briefly review the development of fractional calculus, and introduce the common numerical method and its theory to solve the fractional differential equation, especially the application of finite difference method in this field. Finally, some definitions and symbols to be used frequently in subsequent chapters are given. In the second chapter, for a class of spatial fractional-order Schr (o | "In this paper, we derive a self-closed three-layer linear difference scheme and verify the conservation and precision of the format by means of a numerical example. In the third chapter, a class of strongly coupled spatial fractional order Schr (o |") dinger equations. The content of this chapter is the promotion of the second chapter. In the same way, we give the two conserved quantities of the equation, and put forward a non-linear conservation type difference scheme, and prove the solvability, stability and the convergence of l-norm. In order to improve the calculation efficiency, a linear conservation type difference scheme is given. The validity of these two formats is verified by numerical experiments. In the fourth chapter, the corresponding Crank-Nicolson difference scheme and its linearized form are constructed for the time-space fractional-order Schr (o | ") dinger equation of a single and a coupling condition. The local truncation error, the stability and the existence of these formats are analyzed in detail. The significance of this work is to provide a new numerical solution for such problems, in particular to provide a stable and effective linear format for the coupling problem. In the fifth chapter, In this paper, a class of two-dimensional and semi-linear space fractional-order damping wave equation is considered. The equation has a wide application background, and the space fractional-order tegph equation, the sine-Gordon equation and the Klein-Gordon equation can be considered as special cases. A compact difference scheme with second-order time precision and fourth-order spatial precision is presented, and the solvability and convergence of the format are discussed. In order to improve the calculation efficiency, a compact difference scheme with alternate directions is further constructed. The validity of the format is verified by the numerical results of the three kinds of equations. In the sixth chapter, a kind of high-precision algorithm for solving the spatial fractional order diffusion equation is proposed. This kind of algorithm is obtained by the joint fractional order compact difference approximation and the edge value method, and has the fourth order spatial precision and the fourth order. Five orders, six orders, and even higher order time precision. In order to solve the large linear system, the Sarang-type, the Chan-type and the P-type pre-processor are introduced. When the edge value methods Ak1 and k2 used are stable, In this paper, the convergence rate and high precision of the method are verified by the GMRES method. The convergence rate and the high precision of the method are verified by numerical examples. In chapter 7, we summarize the work of this paper. A number of issues to be further studied are then listed.
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:O241.82
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,本文编号:2475470
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