非线性分数阶Allen-Cahn方程的数值算法研究
批准号:
12101164
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
牛晶
依托单位:
学科分类:
微分方程数值解的基础理论与方法
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
牛晶
中文摘要
分数阶Allen-Cahn模型是研究相变理论和界面问题的基本相场模型,目前在计算材料学和分子动力学方面有着广泛的应用。鉴于此类方程中的非线性势函数项以及分数阶导算子导致的复杂性,寻求高效的数值方法就成为一个迫切需要解决的问题。本项目将基于再生核函数空间理论,结合拟牛顿法、有限差分法和同伦法,研究非线性分数阶Allen-Cahn方程的有效数值方法。由于近似函数的分数阶导数具有一致收敛性,正与再生核数值算法的一致收敛性相吻合,因此再生核函数空间是数值逼近分数阶方程的理想空间框架。我们采用建立新分数阶再生核空间来减少由于分数阶导数的历史记忆性所引起的存储量。同时为了便于处理分数阶Allen-Cahn方程中的非线性势函数项和不同的边界条件,我们选取勒让德多项式作为分数阶再生核空间的基函数。我们将进一步利用再生核函数理论的优势,证明提出的分数阶再生核数值算法的一致收敛性和能量稳定性。
英文摘要
The fractional Allen-Cahn models are basic phase field models for studying phase transition theory and interface problems. Recently, the fractional Allen-Cahn equations have been widely used in the fields of computational materials science and molecular dynamics. Due to the complexity of the nonlinear potential function term and the fractional derivative operator in the fractional Allen-Cahn models, it is very important to search for efficient numerical methods. In this project, based on the theory of reproducing kernel functions, we will study the effective numerical methods of fractionial Allen-Cahn equations by combining the quasi-Newton method, the finite difference method and the homotopy perturbation method. Because the uniform convergence of fractional derivative of the approximate function is consistent with the uniform convergence of the reproducing kernel numerical algorithm, the reproducing kernel function space is an ideal space framework for numerical approximation to the fractional equations. A new fractional reproducing kernel space is established to reduce the storage caused by the historical memory of fractional derivatives. At the same time, in order to deal with the nonlinear potential term and different boundary value conditions in the fractional Allen-Cahn equation, we choose Legendre polynomials as the basis function of the fractional reproducing kernel space. Furthermore, by using advantages of reproducing kernel function theory, we will prove the uniform convergence and energy stability of the proposed fractional reproducing kernel numerical algorithm.
Allen-Cahn方程在等温相变、图像分析、种群遗传和神经脉冲传导问题中都有着重要的应用。本项目按计划研究了非线性分数阶Allen-Cahn方程的数值求解算法。先以再生核空间理论为基础,结合最小二乘原理和拟牛顿迭代法处理了非线性问题。再利用算子理论、三次样条函数性质、配置法等理论,我们得到了有关非线性分数阶Allen-Cahn方程高效的数值算法。最后给出了该算法的收敛性、稳定性和复杂性分析以及能量稳定性分析。从而为众多非线性分数阶方程和方程组的数值求解算法和分析提供了新的方法和思路。. 进一步我们将上述的算法理论结果应用到几大类热门模型:奇异摄动抛物线偏微分方程;椭圆型界面问题;非线性哈密顿系统和非线性Volterra-Fredholm积分微分方程等。 . 此外,除了计划内的研究内容,我们还利用有限元方法给出了高阶微分方程和带有Neumann边值条件的一维和二维Allen-Cahn方程的超收敛求解算法,为该项目的继续深入研究奠定了基础。
分数阶微分方程多点边值问题的数值算法研究
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批准号:11426079
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项目类别:数学天元基金项目
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资助金额:3.0万元
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批准年份:2014
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负责人:牛晶
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依托单位:
国内基金
海外基金