Rosenau—Burgers方程的一个新的差分格式
2024-08-06
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2010年7月 四川师范大学学报(自然科学版) July,2o10 第33卷第4期 Joum ̄of Sichuan Norm ̄Unive ̄ity(Natural Science) V01.33.No.4 Rosenau—Burgers方程的一个新的差分格式 胡劲松 , 王玉兰 , 郑茂波 (1.西华大学数学与计算机学院,四川成都610039;2.四川大学数学学院,四川成都61o064) 摘要:对Rosenau—Burgers方程的初边值问题进行了数值研究,提出了一个三层隐式差分格式,讨论了 差分解的先验估计,并利用离散泛函分析方法分析了该格式的二阶收敛性与稳定性,并利用数值实验进行 了验证. 关键词:Rosenau—Burgers方程;差分格式;稳定性;收敛性 中图分类号:0241.82 文献标识码:A 文章编号:1001~8395(2010)04—0455—03 doi:10.3969/].issn.1001-8395.2010.04.009 在对紧离散系统的研究中,波一波及波一墙相 互作用的情形不能用众所周知的KdV方程来处 ( );= ,( )^. , 理.为了克服这个不足之处,P.Rosenau -2]提出了 =生 如下方程: ,(Ⅱ“, )= , - J=U t+M 蛾 f+ +u =0, :(Un ̄n), max I I・ ∈[0,L],t∈[0,T], (1) ¨对问题(2)~(4)考虑如下有限差分格式: 但是,为了对非线性波的进一步研究,需要对方程 (M );+(“ )“蕊i一(“ )疵+(H );+ (1)增加粘性项一u ,即 t+ 一对一 瓤+ + =0. (2) ÷[ ( );+((瓦 ) );]=0, (5) 该方程称为ttosenau—Burgers方程.文献[3—6]对 0,=“0( ,),0≤ ≤J一1, (6) 方程(2)的柯西问题进行了讨论,文献[7]对方程 U0 =u =0, (U0 )疵=(Ⅱ )撕=0. (7) (2)的初边值问题提出了一个具有二阶精度的两层 引理1对任意两个离散函数:u, ∈ ,使用 的差分格式,相应的初始条件和边界条件如下: 分部求和公式 』,有 u(0, )= (L,£)=0, (0, )= (L, )=0,t∈[0,T],(3) (( ,) , ,)=一( f,( ,)i), ( f,( ,) )=一(( ,(“ ). “( ,0)=u。( ), ∈[0, ]. (4) 从而有 本文对问题(2)~(4)提出了一个三层隐式有限差 ( ,( ) )=一(( ) ,( ) )=一fI“ jf . (8) 分格式,讨论了差分解的先验估计并分析了格式的 进一步可以证明,若(u )晡=(“;)撕:0,则(“ , 二阶收敛性和稳定性,同时给出数值算例来说明格 式的有效性. ( )麒赫)=fI n埘『I . 引理2(离散的Sobolev不等式 )存在常数 1差分格式和差分解的估计 c 和c2使得『 I『 『≤C 『I 『『+c fI M . 引理3 (离散的Cronwall不等式 )设 将区间[0,L]X[0,T]进行剖分, =jh,0≤.『≤ w(k),P( )为非负网格函数,且P(|i})是非递减的, ‘,,h为空间步长,t =盯, 为时问步长,记u 若C>0,并且对V 都有,W( )≤.p( )+C丁 n( ,n )和z ={u=(Ⅱ,)l“0= ,=0, =0,1,2, ….,}.在本文中规定C为一般的正常数,在不同的 ∑ (f),则 (|j})≤p( )e . ,地方有不同的值,并且定义如下记号: 定理1设u。∈ [0,L],则差分方程(5)的 解满足:【l“ ll≤C,l lu:ll≤C(n=1,2,…,Ⅳ),从 (u ) : ,( ) : , 而有fI“ if ≤C. 收稿日期:2008一l2—25 基金项目:国家自然科学基金(40701014)资助项目 作者简介:胡劲松(1973一),男,副教授,主要从事计算数学的研究 456 四川师范大学学报(自然科学版) 33卷 证明 (5)式与2瓦 (即U + )作内积有 2差分格式的收敛性与稳定性 设问题(2)~(4)的解为 ( ,t),并且 ,n= ( ,nr),则差分格式(5)的截断误差为 =(II u Il 一Il“ 『 )+((l ) ,2 )一 (( n)蕊,2 )+(( );,2 )+(P,2 )=0,(9) 其中,P=÷[ -n( -n);+(( -n) );],由边界条件 ( n);+( ) ;一( )撕+(哆);+ I i- -hi -n\,;+(( ) );], (18) (7),利用引理1有 (( )xx2a¥ ̄2 ): ,(10) (P,2 )= ∑( ) ( );+ 芝(( )z);- n:÷ ( +( )。) 一 1,一1 ÷∑( -n -n一 +( ) ) -n一 =0. (11) 所以,由(9)~(11)式得 [(1 lu ll 一l lIl )+ (Il“ Il 一l lII )]= (( )撕, + n )一(( );, + n ).(12) 再由Schwarz不等式有 ((H,n) ,M +u )≤ ll “fl +÷(1l u lI +II u ),(13) 一((“ );,Hfn¨+ )≤ II u +÷(1 l” lI +l II I).(14) 由(12)一(14)式得 l lu” l l一l lI l+l lII 一lI u l l≤ (1l H I l+l In Il +lI“ ll +l lH lI ).(15) 再由(8)式及Schwarz不等式有 l l:ll ≤÷(1l“ ll +l ll i). (16) 则(15)式等价于 (1 lM } l+ l ll l)一(1l l I2+ }I 一 ll。)+ (1 lIl +lI“ I l)一(1 Iu l I+l ll l)≤ c (1l“ l I+}l M l l+ll l I+ 【 lu“ l l+l lIt Il +l lU 一 ll ). 令B =(I ll l+Il u Il )+(1l“ 『 l+ If I l),上式变为(1一Cr)[B” 一B ]≤ 2CrB ,只要取足够小的 ,满足1一Cr=6>0,就有 B“ 一B ≤CrB . (17) 对(17)式从。到n一1求和得B ≤B。+c ∑B , 由引理3得lI u lI≤C,l lIl≤C,由(16)式知, l I≤C,再由引理2得} IU l{。≤C. 由Taylor展开,可知当^, 时, =0(r +h ). 定理2设/d,。∈ [0,L],则差分格式(5)~ (7)的解/3, 以ll・II 收敛到初边值问题(2)一 (4)的解,且收敛阶为O( +h ). 证明将(18)式减去(5)式,并记e = 一u 得 0n=( );+( ) 一( )撕+( );+Q,(19) 其中,Q= l L -n -n);一 ( );]+寺[(( ) );一 ((瓦 ) );],将(19)式两端与2; 作内积,整理得 l le” Il 一l l l+l le ll 一lf e Il = 2丁[(r n,2e“)+((e )赫,2e )+ (一(e n);,2e )+(一Q,2e )]. (20) 结合引理1、定理1和Schwarz不等式有 ^ , (一Q,2e )=一÷ ∑[ ( );一 ( );] 一 ., 』=1 ,、 ÷ ∑[((一 J=1 ) );一(( ) );] = ) i 一÷ ∑ (J I ); n一÷ ∑(一 』 1 ) ( ) 一 , J ,| ÷ ∑(J=1 );- n一÷ ∑(,=I ); = , J j 一寺 ∑ (J 1 )辑-n+÷^∑(一 J 1 -n, -勺n+。+- n一 ) + | J ÷ ∑ (一 J=1 );+÷ ∑ J=1 -n -n - n);= 1 j ÷ ∑( );( 。+ -n一 ) n+寺 ∑ -n -n L -ti);≤ c[II; l l+l lI ]≤C[1 ll + If e 一 }l +Il e n l l+I le n一 lI ],(21) ( ,2 )=( ,e” +e )≤ I l+÷ e” I l+Il e l ,(22) ((e n)氟,2; )=((e n) e +e )≤ I n I『 +÷[1 le” l J + If ],(23) (一(e n)i,2; )=(一( ,n);,e +e )≤ l e +÷ e” I l+Il e lI ].(24) 所以,由(20)一(24)有 第4期 胡劲松等:Rose e enau—Burgers方程的一个新的差分格式 457 ≈ l + 1 一 n e (1 Ie I1 +l je Il )一(J J e2 l J+I2 Je 一2 I J )+ h ),I Je lJ≤0( +h ),由(26)式,得I Je:J}≤ (I Ie 】 I+I le l l)一(1 le _、{一 I+l、lr Ie \4r l l)≤ D( +h ),再由弓I理2有ll e“l I≤0(r + ). C [1 je“ l I+I Ie 一 II +l● le /L一2 一l l/L2●一+l/ le:l2 l + 与定理2类似,可以证明: l le 一 II +【 le l l]+2 lI r Il 2.¨ (25) 定理3在定理2的条件下,差分格式(5)~ e P e 类似于(16)式有 n n + 一 (7)的解U 以ll・I l稳定. 2 2 2 + + + 3数值试验 e e 口{e { ¨ 考虑如下的Rosenau—Burgers方程: 2 、 uf+ 硝t一 + + Ⅱ :0, 、 、, ( ,t)∈(0,1)×(0,1], 令D =(1 le I l+l 1e 一 I I)+(1l e l/ 2 l + 6 u(x,0)=U。( )= (1一 ) , ∈[0,1].(28) I Ie I l),(25)式变为JD” 一D ≤2丁l lr ll + 本文格式是三层格式,不是自启动的,需要用 (D +D ),即(1一Cr)(D” 一D )≤2r l1 r l l+ 其他的格式(如两层c—N格式 )算出U .由于方 2CrD ,只要取足够小的 ,满足1一Cr=6>0,就有 (D 一D )≤Cr l lr +CrD . (27) 程(28)的精确解并不知道,我们将细网格上(如h =对(27)式从0到n一1求和得D ≤ +C 1/80)的数值解作为参考值来估计误差,取 = tI一1 tI一1 0.1,在每个时间层上取平方误差,得到表1. ∑ ll +c ∑D .先用两层格式…计算出具 从表1可以看出,本文的差分格式是有效的 有二阶精度的 ,使之满足D。≤C(7I +h ) ,又 表1 r=O.1时不同时间层上平方误差 tI一1 Table1 Variancein differenttimelayerswhenf=0.1 I。≤盯。罂。 I ≤ 。。( + ) , 于是 n一1 D ≤0( 。+ ) +c7- .局 由弓f理3可得,D ≤o(丁。+ 。)。,即『 Ie 『I≤0( 。+ 参考文献 [1]Rosenau P.A quasi—continuous description of a nonlinear transmission line[J].Physica Scripta,1986,34:827—829. 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A New Finite Difference Scheme for Rosenau—Burgers Equation HU Jin—song , WANG Yu.1an , ZHENG Mao—bo (1.College ofMathematics and Computer Engineering,Xihua University,Chengdu 610039,Sichuan; 2.College ofMathematics,Sichuan University,Chengdu 610064,Sichuan) Abstract:In this paper,a finite difference method for an initial—boundary value problem of Rosenau—Burgers equation is consid— ered.A implicit finite diference of three levels is proposed.Existence and uniqueness of numerical solutions are derived.It is proved that the ifnite diference scheme is convergent in order o(7_ +h )and stable.Numerical experiments show that our method is efficient. Key words:Rosenau—Burgers equation;finite difference scheme;convergence;stability 2000 MSC:65M06;65M99 (编辑周俊)