Volterra型微分G积分方程的数值格式构造及理论分析

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第36卷第4期2022年7月
兰州文理学院学报(自然科学版)
J o u r n a l o fL a n z h o uU n i v e r s i t y o
fA r t s a n dS c i e n c e (N a t u r a l S c i e n c e s )V o l .36N o .4
J u l .2022
收稿日期:2022G03G13
基金项目:国家自然科学基金(11861068);新疆维吾尔自治区自然科学基金杰出青年基金项目(2022D 01E 13)作者简介:罗紫洋(1996G),男,新疆昌吉人,在读硕士,研究方向:微分方程理论及数值模拟.E Gm a i l :466949841@q q .c o m.
∗通讯作者:张新东(1981G),男,江苏徐州人,教授,硕士生导师,研究方向:微分方程理论及数值模拟.E Gm a i l :L i G
a o y
u a n 1126@163.c o m ㊀㊀文章编号:2095G6991(2022)04G0010G05
V o l t e r r a 型微分G
积分方程的数值格式构造及理论分析
罗紫洋,安文静,张新东
(新疆师范大学数学科学学院,新疆乌鲁木齐830017
)摘要:本文研究了一类V o l t e r r a 型微分G积分方程的数值格式构造及其理论分析.格式构造方面,利用有限差分方法进行时间和空间离散,对于积分项采用复合梯形求积公式进行处理.最后,给出了数值格式的稳定性分析和误差估计,其误差的收敛阶为Ο(τ+h 4),其中τ为时间步长,h 为空间步长.关键词:V o l t e r r a 型微分G积分方程;有限差分;复合梯形求积公式;稳定性;误差分析中图分类号:O 241.82㊀㊀㊀文献标志码:A
N u m e r i c a l S c h e m eC o n s t r u c t i o na n dT h e o r e t i c a l
A n a l y s i s f o r I n t e g r a l GD i f f e r e n t i a l E q u a t i o n s o fV o l t e r r aT y p
e L U OZ i Gy a n g ,A N W e n Gj i n g ,Z HA N G X i n Gd o n g
(S c h o o l o fM a t h e m a t i c a l S c i e n c e s ,X i n j i a n g N o r m a lU n i v e r s i t y ,U r u m q
i 830017,C h i n a )A b s t r a c t :I n t h i s p a p e r ,an u m e r i c a l s c h e m ec o n s t r u c t i o na n dt h e o r e t i c a l a n a l y s i sw a sm a i n l y
d e v e l o p e d f o rs o l v i n g t h e V o l t e r r ai n t e g r a l Gd i f f e r e n t i a le q u a t i o n s .I nt e r m so fs c h e m ec o n Gs t r u c t i o n ,t h e f i n i t ed i f f e r e n c ea p p r o x i m a t i o ni s s u e df o rt i m ea n ds p
a c ed e r i v a t i v e ,a n dt h e c o m p o u n d t r a p e z o i d a l q u a d r a t u r e f o r m u l a i s s u e d f o r i n t e g r a l t e r m.F i n a l l y
,t h eu n c o n d i t i o n a l s t a b i l i t y a n d c o n v e r g e n c ew e r e g i v e n .I na d d i t i o n ,t h ee r r o r a n a l y s i sw a s c a r r i e do u t ,w h i c h s h o w e d t h a t t h e c o n v e r g e n c e o r d e rw a s O (ι+h 4),w h e r e ιw a s t h e t i m e s t e p ,a n d h w a s t h e s p a c e s t e p
.K e y w
o r d s :V o l t e r r ai n t e g r a l Gd i f f e r e n t i a le q u a t i o n ;f i n i t ed i f f e r e n c e ;c o m p o u n dt r a p e z o i d a l q u a d r a t u r e f o r m u l a ;s t a b i l i t y ;e r r o r a n a l y
s i s 0㊀引言
V o l t e r r a 型微分G积分方程(V I D E s )源于19
世纪末20世纪初,是在竞争或人口增长模型中所引入的一类具有积分内核的方程.V I D E s 中的积
分项具有记忆性质[1]
,这一性质是其在物理领域有着广泛应用的重要原因.例如:粘弹性方程[

]㊁具有记忆性的热传导方程[3G4]
,以及核反应堆中的热交换过程等.由于求解此类方程的解析解较为
困难,因此研究此类方程的数值解具有重要的理论价值和实际意义.
处理微分G
积分方程的主要方法为差分法.1897年,V o l t e r r a [5]
在其著作中对该类方程的数
值解法已有所研究.1974年,B r u n n e r [6]
采用隐式
R u n g e GK u t t a 方法求解V o l t e r r a 型微分G积分方程,并分析了此类方程数值解的稳定性.1992年,
陈传淼等[7]利用内积近似一类微分G
积分方程的积分项,并对空间项采用有限元方法,得到了相应
的误差估计.1993年,
汤涛[8
]运用梯形求积技巧构造了一类微分G
积分方程中积分项的数值格式,使其时间误差收敛阶可以达到Ο(τ
3/2
),并给出具体的理论分析.2005年,S h a h m o r a d [9]
基于T a u
方法分析了线性F r e d h o l m GV o l t e r r a 型微分G
积分方程的有效误差.2006年,A m i r a l i y
e v 等[10]在均匀网格中构建V o l t e r r a 型微分G
积分方程的数值格式,并证明该格式的时间收敛阶为一阶均匀收
敛.2008年,
徐大[11]在希尔伯特空间中分析验证了有限差分方法求解线性V o l t e r r a 型方程的稳
定性;同年,T a r i 和S h a h m o r a d [12]
基于勒让德多项式研究二维线性F r e d h o l m 积分方程,
并给出了数值格式的误差边界.2010年,W a z w a z [1
3]提出结合L a p l a c e 变换和A d o m i a n 分解法,构造非线性V o l t e r r a 型微分G积分方程的数值格式,并通过实验证明该方法的有效性;与此同时,Z a r e b G
n i a [14
]利用S i n c 方法求解V o l t e r r a 型微分G积分方程,并验证该方法所具有的优良性,不仅收敛速
度较快,且不存在当使用其他数值方法时常见的
不稳定问题.2021年,C i m e n 和C a k i r [1
5]基于正交规则和积分恒等式构造了一类F r e d h o l m 型微
分G
积分方程一种新的差分格式,并分析证明该格式的稳定性和收敛性.2022年,S a n t r a 和M o h a G
p
a t r a [16]
利用复合梯形公式逼近V o l t e r r a 型微分G积分方程中的积分项,使其误差时间收敛阶为Ο
(τ).
本文考虑如下V o l t e r r a 型微分G积分方程(V I D E )
:∂u (x ,t )∂t -∂2
u (x ,t )∂x 2=ʏ
t

K (x ,t -s )u (x ,s )d s +f (x ,t ),(x ,t )ɪΩ;u (x ,0)=φ(x ),∀x ɪ[0,L ];u (0,t )=g 1(t ),u (L ,t )=g 2(t ),∀t ɪ(0,T ]
,ìîíïïïïïï
ïï
ï
ï(1)其中:Ω=[0,L ]ˑ(
0,T ],空间L >0,且时间T >0;积分核K (x ,t -s )在Ω上光滑且有界;f ,
φ,
g 1和g 2为给定的光滑函数.1㊀紧致差分格式推导
为方便起见,本文中不同地方的常数C 可以
代表不同的数值.给定两个正整数M 和N ,定义h
=L
/M 为空间变量x 的步长,τ=T /N 为时间变量t 的步长,所以
x j =j h ,j =0,
1, ,M ,t n =
n τ,n =0,1, ,N .用u n j 和U n
j 分别表示函数u 在点(x j ,t n )处的精确解和数值解.为了方便表达及书写,给出如
下算子定义,
δ2
x
U j =U j -1-2U j +U j +1
h 2
,H U j =
112(U j -1+10U j +U j +1)=(1+h 212δ2x )U j ,
㊀㊀
j =1,2, ,M -1;U j ,j =0,M .
ìîí
ïïïï(2
)由复合梯形求积公式可得
ʏb
a
g (
t )d t =ðn -1
i =0
ʏt i +1t i
g (
t )d t =τ
2ðn -1
i =0
[g (t i )+g (t i +1)]+R ,(3
)其中:R 为整个区间的截断误差.
由T n =τ

ðn -1i =0[g (t i )+g (t i +
1)]和中值定理可得
R =ʏ
b
a
g (t )d t -T n =
-b -a 12
τ2
g ᵡ(ξ),ξɪ[a ,b ].(4)引理1[17
]㊀假设s (x )ɪC 6[a ,b ]
,则有1
12
(s x x (x j +1)+10s x x (x j )+s x x (
x j -1))-1
h
2(s (x j +1)-2s (x j )+s (x j -1))=h 4240s (6)
(ξj ),其中:ξj ɪ(x j -1,x j +1),j =1,2, ,M -1.接下来对方程(1
)进行逐项分析.对于方程(1)的时间项来说,利用T a y l o r 展开,可得∂u (x j ,t n )
∂t n

u (x j ,t n +1)-u (x j ,t n )
τ
+O (
τ).(5
)对于方程(1
)的空间项来说,H ∂2
u (x j ,t n +1)∂x 2
j
=δ2x u (x j ,t n +1)
+O (h 4).(6
)对于方程(1)的积分项而言,由式(3)和(4
)可得1
1第4期罗紫洋等:V o l t e r r a 型微分G
积分方程的数值格式构造及理论分析
ʏ
t n 0
K (x j ,t n -
s )u (x j ,s )d s =ðn -1
i =0
ʏt i +1t i
K (
x j
,t n
-s )u (x j
,s )d s =τ
2ðn -1
i =0
[K (x j ,t n -t i )u (x j ,t i )+K (x j ,t n -t i +1)u (x j ,t i +
1)]+O (τ2).(7)如果对方程(1
)作用H 算子,可得H ∂u (x j ,t n )∂t n
-H ∂2
u (x j ,t n +1)∂x 2
j =H
ʏ
t n 0
K (x j ,t n -
s )u (x j ,s )d s +H f (x j ,t n )
,进而由式(5)㊁(6)和式(7
)可得H u n +1
j
-τ
δ2
x u n +1j =
H u n
j
+H τ22ðn -1
i =0
(K n -i -1j u i +1j +K n -i j u i j )éëêêùûúú+H τf n j +R n
j ,
(8)其中:f n
j =f (x j ,t n ),R n j ɤC (
τ+h 4).省去式(8)中的截断误差,当j =1,2, ,M
-1且n =1,
2, ,N 时得到方程(1)的离散格式如下:
H U n +1j -τδ2x U n +1j =H U n
j +㊀H τ22ðn -1i =0(K n -i -1j U i +1j +K n -i j U i j )éëêêùûúú+H τf n j ,U 0
j =φ(x ),U n +10=g 1(t n +1),U n +
1M =g 2(t n +1)
.ìîí
ïïïïï
ï(9
)2㊀稳定性分析
本节将利用能量不等式的方法讨论数值格式
的稳定性,并证明数值格式为无条件稳定.首先给出一些符号说明和引理.定义V h 为空间网格函
数,V h ={V |V =(V 0,V 1, ,V M ),V 0=
g 1(
t n +1),V M =g 2(t n +1)}.以下内积和范数在证明中将用到,
(U ,V )=h ðM -1
j =1U j
V j , U 2=(U ,U ).引理1[18
]㊀假设U ɪV h ,
则有-(δ2x
U n H U n )ȡ2

δx U n 2.定理1㊀紧致差分格式(9
)是无条件稳定的,并且满足如下不等式:
H U n +1 ɤC H U 0 +m a x 0ɤp ɤn
H f p (),
其中:C 为常数.证明㊀设m a x (x ,t )
ɪΩ
K (x ,t ) =K x t .由式(9)可得
H U n +1-τδ2x
U n +1=H U n +H τ2
2ðn -1
i =0(K n -i -1U i +1+K n -i U i )éëêêùû
úú+H τf n ,(10
)对式(10
)两边同乘H U n +1,并在Ω上积分可得(H U n +1,H U n +1)-τ(δ2x
U n +1,H U n +1)=(H U n ,H U n +1)+
τ22ðn -1
i =0
(H (K n -i -
1U i +1),H U n +1)+τ22ðn -1
i =0
(H (K n -i U i ),H U n +1)+τ(H f n ,H U n +1).
(11
)由引理1可知
-(δ2x
U n H U n )ȡ0.由式(11
)可得如下不等式,(H U n +1,H U n +1)ɤ(H U n ,H U n +1)+
τ22ðn -1
i =0
(H (K n -i -1U i +1),H U n +1)+τ22ðn -1
i =0
(H (K n -i U i ,H U n +1))+τ(H f n ,H U n +1).(12
)接下来将用归纳法证明.由式(12
)可知,当n =0时,
(H U 1,H U 1)ɤ
(H U 0,H U 1)+τ(
H f 0,H U 1).再由柯西G施瓦茨不等式可得
H U 1 ɤ H U 0 +τ H f 0 ɤ
C H U 0 + H f 0 ().
假设对任意k ,k ɤn 时结论成立,
即 H U k ɤ
C H U 0 +m a x 0ɤp ɤn
H f p ().(13
)由式(12
),当k =n +1时,有(H U n +1,H U n +1)ɤ(H U n ,H U n +1)+
τ22ðn -1
i =0
(H (K n -i -
1U i +1),H U n +1)+τ22ðn -1
i =0
(H (K n -i U i ),H U n +1)+τ(H f n ,H U n +1).
由上述不等式,结合式(13
)可得 H U n +1 ɤ

1㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀兰州文理学院学报(自然科学版)㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第36卷
H U n
+τ2K x t
2ðn -

i =0
H U i +1 +τ2K x t
2ðn -1
i =0
H U i +τ H f n ɤC H U 0
+m a x 0ɤp ɤn -1
H f p
()+
τK x t
T C H U 0
+m a x 0ɤp ɤn -1
H f p ()+τ H f n
ɤ(C +τK x t
T C ) H U 0 +(C +τK x t
T C +τ)m a x 0ɤp ɤn
H f p ɤC H U 0
+m a x 0ɤp ɤn
H f p
(),
其中,C 为常数.
定理1证明完毕.3㊀误差估计
本节将讨论数值格式的收敛性,并推导出数
值格式的误差收敛阶为O (τ+h 4).记e n
j =u n j -
U n j ,
j =0,1, ,M 且n =0,1, ,N .定理2㊀假设u n
j 为方程(1)的精确解,U n j 为离散格式(9
)的数值解,则如下不等式成立, H e n +1
j
ɤC (τ+h 4),其中,C 为常数.
证明㊀设m a x (x ,t )ɪΩ
K (x ,t ) =K x t .用式(8)减去式(9),再由e n
j 的定义可得
H e n +1j -τδ2x e n +1
j
=H e n j
+H [τ22ðn -1i =0
(K n -i -1j e i +
1j +K n -i j e i j )
]+R n j .(14
)将式(14)两边同乘H e n +1
j
,并在Ω上积分可得(H e n +1j ,H e n +1j )-τ(δ2x e n +1j ,H e n +1j
)=(H e n j ,H e n +1
j
)+τ22ðn -1
i =0
(H (K n -i -1j e i +
1j ),H e n +1j )+τ22ðn -1
i =0
(H (K n -i j e i j ),H e n +1j )+(R n j ,H e n +1
j
).(15
)由引理1和式(15
),有(H e n +1j ,H e n +1j )ɤ(H e n j ,H e n +1
j
)+τ22ðn -1
i =0
(H (K n -i -1j e i +
1j ),H e n +1j )+τ22ðn -
1i =0
(H (K n -i j e i j ),H e n +1j )+(R n j ,H e n +1
j
).(16
)类似定理1的证明,将采用归纳法.由式(16)可知,当n =0时,可得
(H e 1j ,H e 1j )ɤ(H e 0j ,H e 1j )+(R 0j ,H e 1
j )
,再由柯西G施瓦茨不等式及R 0
j ɤC (
τ+h 4)可得 H e 1j ɤ H e 0j +
R 0
j ɤC (τ+h 4).假设对任意k ,k ɤn 时,
结论成立,即 H e k
j ɤC (τ+h 4).(17
)由式(16
),当k =n +1时,有(H e n +1j ,H e n +1j )ɤ(H e n j ,H e n +1
j
)+τ22ðn -1
i =0
(H (K n -i -1j e i +
1j ),H e n +1j )+τ22ðn -1
i =0
(H (K n -i j e i j ),H e n +1j )+(R n j ,H e n +1
j
).由上述不等式,结合式(17
)可得 H e n +1j
ɤ H e n
j
+τ2K x t 2ðn -

i =0
H e i +
1j +τ2K x t 2ðn -

i =0
H e i
j + R n j ɤC (τ+h 4)+τK x t
T (C (τ+h 4))+C (τ+h 4)ɤm a x {C ,τK x t
T C ,C }(τ+h 4)ɤC (τ+h 4)
,其中,C 为常数.
定理2证明完毕.4㊀结论
本文通过有限差分方法构造了一类V o l t e r r a
型微分G
积分方程的数值格式,分析了格式的稳定性和误差估计,得到其误差收敛阶为O (τ+h 4).相较于解决该问题原有的数值格式,在空间收敛阶上有进一步的提升.在今后的研究工作中,将以构建收敛速度更快,误差更低的数值格式为目标,
并将此方法应用到分数阶微分G积分方程的数值求解.参考文献:
[1]MO L F E R S D O R F L V.O ni d e n t i f i c a t i o no fm e m o r y
k e r n e l s i n l i n e r t h e o r y o
f h e a t c o n d u c t i o n [J ].M a t h e Gm a t i c a lM e t h o d s i n A p p
l i e dS c i e n c e s ,1994,17:919G932.
[2]R C N A R D Y M.M a t h m e a t i c a l a n a l y
s i so fv i s c o e l a s t i c f l o w s [J ].A n n u a lR e v i e w o fF l u i d M e c h a n i c ,1989,
21:21G36.
[3]G U R T I N M E ,P I P K I N AC .A g e n e r a l t h e o r y o
f h e a t c o n d u c t i o nw i t h f i n i t ew a v e s p
e e d [J ].A r c h i v e
f o rR a Gt i o n a lM e c h a n i c s a n dA n a l y s i s ,1968,31:113G126.[4]M I L L E R R K.A ni n t e
g r o Gd i f f e r e n t i a le q
u a t i o nf o r g i r dh e a tc o n d u c t o r s w i t h m e m o r y [
J ].J o u r n a lo f 3
1第4期
罗紫洋等:V o l t e r r a 型微分G
积分方程的数值格式构造及理论分析
M a t h e m a t i c a l A n a l y s i sa n d A p p l i c a t i o n s,1978,66:313G332.
[5]V O L T E R R A V.S o p r aa l c u n e q u e s t i o n i d i i n v e r s i o n e d i i n t e g r a l i d e f i n i t i[J].A n n a l i d iM a t e m a t i c aP u r ae d A p p l i c a t a,1897,25:139G178.
[6]B R U N N E R H.I m p l i c i t R u n g eGK u t t am e t h o d s o f o p t iGm a lo r d e rf o r V o l t e r r ai n t e g r oGd i f f e r e n t i a le q u a t i o n s [J].M a t h e m a t i c s o fC o m p u t a t i o n,1984,42:95G109.[7]C H E NC M,T HOM E E V,WA H L B I NLB.F i n t e e lGe m e n t a p p r o x i m a t i o n o f a p a r a b o l i c i n t e g r oGd i f f e r e n t iGa l e q u a t i o nw i t haw e a k l y s i n g u l a rk e r n e l[J].M a t h eGm a t i c a l o fC o m p u t a t i o n,1992,58:587G602.[8]T A N G T.Af i n i t ed i f f e r e n c es h e m ef o r p a r t i a l i n t eGg r oGd i f f e r e n t i a l e q u a t i o n sw i t haw e a k l y s i n g u l a rk e rGn e l[J].A p p l i e d N u m b e r i c a l M a t h e m a t i c s,1993,11:309G319.
[9]S HA HMO R A DS.N u m e r i c a l s o l u t i o no f t h e g e n e r a l f o r ml i n e a rF r e d h o l mGV o l t e r r a i n t e g r oGd i f f e r e n t i a l eGq u a t i o n sb y t h eT a um e t h o dw i t ha ne r r o r e s t i m a t i o n [J].A p p l i e d M a t h e m a t i c sa n d C o m p u t a t i o n,2005,167:1418G1429.
[10]AM I R A L I Y E V G M,S E V G I N S.U n i f o r m d i f f e rG
e n c em e t h o d
f o r s i n
g u l a r l yp e r t u r b e dV o l t e r r a i n t eG
g r oGd i f f e r e n t i a l e q u a t i o n s[J].A p p l i e d M a t h e m a t i c s
a n dC o m p u t a t i o n,2006,179:731G741.
[11]X U D.S t a b i l i t y o f t h ed i f f e r e n c et y p e m e t h o d sf o r l i n e a rV o l t e r r ae q u a t i o ni n H i l b e r ts p a c e s[J].N uG
m e r i s c h eM a t h e m a t i k,2008,109:571G595.[12]T A R IA,S HA HMO R A DS.Ac o m p u t a t i o n a lm e t hGo d f o r s o l v i n g t w oGd i m e n s i o n a l l i n e a rF r e d h o l mi nGt e g r a le q u a t i o n so fs e c o n d k i n d[J].T h e A n z i a m
J o u r n a l,2008,49:543G549.
[13]WA Z WA Z A M.T h ec o m b i n e dL a p l a c et r a n s f o r mG
A d o m i a nd e c o m p o s i t i o n m e t h o df o rh a n d l i n g n o nG
l i n e a r V o l t e r r ai n t e g r oGd i f f e r e n t i a le q u a t i o n s[J].
A p p l i e d M a t h e m a t i c sa n dC o m p u t a t i o n,2010,216:
1304G1309.
[14]Z A R E B N I A M.S i n c n u m e r i c a l s o l u t i o n f o r t h eV o l tG
e r r ai n t e g r oGd i
f f e r e n t i a le q u a t i o n[J].C o mm u n i c aG
t i o n s i n N o n l i n e a rS c i e n c ea n d N u m e r i c a lS i m u l aGt i o n,2010,15:700G706.
[15]C I M E N E,C A K I R M.Au n i f o r m n u m e r i c a lm e t h o d
f o rs o l v i n
g s i n g u l a r l yp e r t u r b e d F r e d
h o l m
i n t e g r oG
d i f f
e r e n t i a l p r o b l e m[J].C o m p u t a t i o n a l a n dA p p l i e d
M a t h e m a t i c s,2021,42:1G14.
[16]S A N T R AS,MOHA P A T R AJ.An o v e l f i n i t e d i f f e rG
e n c e t e c h n i q u ew i t h e r r o r e s t i m a t e
f o r t i m e f r a c t i o nG
a l p a r t i a li n t e g r oGd i f f e r e n t i a le q u a t i o n o f V o l t e r r a
t y p e[J].J o u r n a l o f C o m p u t a t i o n a la n d A p p l i e d
M a t h e m a t i c s,2022,400:113746.
[17]L U O M,X U D,L I L M.A c o m p a c td i f f e r e n c e s c h e m ef o r a p a r t i a li n t e g r oGd i f f e r e n t i a le q u a t i o n
w i t ha w e a k l y s i n g u l a rk e r n e l[J].A p p l i e d M a t h eG
m a t i c a lM o d e l l i n g,2015,39:947G954.
[18]A K B A R M.C o m p a c t f i n i t e d i f f e r e n c e s c h e m e f o r t h e s o l u t i o n f o r a t i m e f a r a c t i o n a l p a r t i a l i n t e g r oGd i f f e rG
e n t i a l e q u a t i o n w i t ha w e a k l y s i n g u l a rk e r n e l[J].
M a t h e m a t i c a l M e t h o d si n t h e A p p l i e d S c i e n c e s,2017,40:7627G7639.
[责任编辑:赵慧霞]
41㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀兰州文理学院学报(自然科学版)㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第36卷。

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