一阶双曲型方程的Legendre-tau方法

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本文主要针对一阶双曲型发展方程的数值解法进行研究,首先针对边界条件的不同处理方式,考虑了在Galerkin方程中不同检验函数的选取对于数值结果的影响,其次构造了高效、精确、稳定的tau方法.证明了tau方法对于一阶双曲问题可以得到最优的误差收敛阶. 谱方法作为数值求解偏微分方程的三大方法之一,标准的Galerkin方法和配置(拟谱)方法已广泛应用于求解二阶、四阶等偶数阶问题,但是由于奇数阶算子不具备像偶数阶算子那样的对称性质,因此标准的Galerkin方法不适宜求解奇数阶问题,采用tau 方法或者更一般的Petrov-Galerkin方法显得更为合理.本文将Ma和Sun[21,22]建立的有效求解三阶方程的Petrov-Galerkin方法推广到一阶双曲方程,以期望得到有效求解一阶双曲问题的数值方法. 本文采用Legendre-tau 方法,建立了有效求解一阶双曲方程的数值逼近算法,采用Chebyshev-Legendre耦合方法处理右端项和初始值,而在整体上保持了Legendre-tau格式,这样借助于快速Legendre变换,可以使我们的数值算法有效、快速的实施.对于常系数问题,理论分析中分别证明了半离散和全离散格式L<2>范数意义下的最优误差收敛阶,将结果从O(N<1-r>)提高到O(N<-r>),改进了此类问题原有的理论结果.并将此方法推广到更一般的变系数问题得到了次优的误差收敛阶.数值例子也证实了算法的有效性.
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