1. 引言
本文考虑如下一维非线性耦合波动方程组:
,
,
, (1a)
,
,
, (1b)
,
, (1c)
,
,(1d)
,
, (1e)
,
, (1f)
当
,
时,方程(1a)~(1f)被称作非线性耦合sine-Gordon方程组(文献 [1] [2] [3] [4])。它在物理、生物等各个领域都有重要的应用。比如它能描绘脱氧核糖核酸(DNA)的开放状态和光脉冲在光纤波导中的传播等。因此,非线性耦合sine-Gordon方程组已经得到了充分的研究。具体见文献 [1] [2] [3] [4]。当
,
时,方程(1a)~(1f)被称作Klein-Gordon方程组(文献 [5])。它由Segal首次提出,其在描述带电介子在电磁场中的运动有着极其重要的作用。它的研究见文献 [5] 及其被引文献。
在文献 [6] 中,吴等研究了此方程组的经典显式差分格式。虽然此格式有易于计算、耗时少等优点,但太依赖于稳定的条件。陈等在文献 [7] 中对一类非线性延迟波动方程建立了DFF差分格式。受到抛物方程的DFF差分法和文献 [7] 工作的启发,本文改进方程组(1a)~(1f)的经典显式差分格式,对其建立了DFF格式。运用能量分析法证明了该格式的收敛性。最后,也用数值算例验证了理论的正确性和算法的性能。
2. 差分格式
2.1. 记号
为了运用差分方法求解问题(1a)~(1f),将区域
剖分。将空间区间
作m等分(m为整数),记空间步长h (
)。在时间方向上,将区间
作n等分(n为整数),记时间步长
(
)。记
,
,
,
,i, k均为整数。记网格剖分区域
,定义网格函数空间
。对任意
,引进如下记号:
,
,
,
,
,
,
,
,
.
2.2. DFF差分格式的建立
方程(1a)~(1f)在节点
处的精确解为
,
。即记
,
。在节点的数值解为
,
。即
,
。
由泰勒展式可知
,
,
,
.
在节点
处考虑微分方程(1a)~(1b),将用上述差分公式
,
,
,
离散
,
,
,
可得
,
,
,(2)
,
,
,(3)
其中,
,
,
, (4)
,
,
. (5)
在(2) (3)中用
代替
,用
代替
,略去小量项
,
,得到如下经典显式差分格式
,
,
, (6a)
,
,
. (6b)
格式(6a)~(6b)就是文献 [1] 中的显格式,它要求网格比
。
为了得到稳定性更好的格式,我们对差分算子
进行如下改进
(7)
将(7)式代入(2)式中得
,
,
. (8)
同理可得
,
,
. (9)
截断误差为
,
,
, (10)
,
,
. (11)
显然,此格式是三层显式差分格式。第0层的数值解是已知的。为了启动的计算,还必须算出第一层的数值解。用带有积分型余项的泰勒公式对
,
在节点
处泰勒展开可得
(12)
(13)
其中
,
,
,
,
,
,
,
.
在(8)~(9),(12)~(13)中略去小量项
,
,用
代替
,用
代替
可得DFF格式如下
,
,
, (14a)
,
,
, (14b)
,
, (14c)
,
, (14d)
,
, (14e)
,
, (14f)
,
. (14g)
2.3. 差分格式的收敛性分析
设问题(1a)~(1f)在节点
的精确解为
,
,
,
为差分格式(14a)~(14g)的数值解。令
,
,
,
。用(8)~(9),(10)~(11),(12)~(13)式依次减去(14a)~(14g)式可得到如下误差方程
,
,
, (15a)
,
,
, (15b)
,
,(15c)
,
, (15d)
,
, (15e)
,
. (15f)
为了研究上述显式差分格式的收敛性,引入如下引理和假设。
引理2.1 [8] 设
,则有下列不等式成立
,
,
,
.
另外,根据(10) (11)可假设,存在常数
,
,使得
,
,
, (16)
,
,
. (17)
成立。
假设函数
,
满足如下局部Lipschitz条件:
设u,v为问题方程(1a)~(1f)的精确解,且存在正常数
,
,当
,(i = 1, 2时),函数
,
满足如下不等式
, (18)
. (19)
其中
为Lipschitz常数。
引理2.2 设
,有
, (20)
,
, (21)
. (22)
证明:根据
,有
, (23)
. (24)
再由引理2.1,可得
即(20)成立。
应用恒等式
以及三角不等式,可以得到
.
对上述不等式再应用引理2.1可得
.
同理可得
.
即(21)得证。
(22)式可由(21)式直接得出。
引理2.3 [8] Gronwall不等式:设
为非负序列,且满足
,
,其中c和q为非负常数,则有
,
.
定理2.1设问题(1a)~(1f)在节点
处的精确解为
,
。DFF格式(14a)~(14g)的数值解为
,
。记
。假设存在常数
,使得
。当步长满足如下条件
,
,
,
时,有如下误差估计
, (25)
, (26)
其中,
,
,
,
.
证明:用数学归纳法证明(25)成立,当
时,式(25)显然成立。假设当
时,(25)式成立。下面证明当
时,(25)也成立。
由引理2.1可得
.
又由
,
,
可得
.
于是,根据(18),(19)有
,
,
.(27)
接下来对(15a) (15b)两边分别与
,
作内积,根据三角不等式可得
,
. (28)
将(27)代入(28)中以及应用不等式
和引理2.1可得
(29)
对(29)式应用引理2.2得
. (30)
对(30)式两边同乘
,再将
都放在不等号左边,当
时,整理式(30)可得
,
. (31)
对(31)式应用引理2.3,取
有,得到
. (32)
将(16)(17)代入(32)式得到
. (33)
最后,将(33)式代入(22)式,有
.
即证
。显然(25)式对
时也是成立的。所以,由归纳法可证(25)式成立。
对(25)式运用引理2.1可直接证明(26)式成立。
3. 数值实验
算例 考虑如下非线性耦合sine-Gordon方程组:
,
初边值条件由精确解
,
确定。
这里取
。
定义
,
。
表1为格式(3a)~(3g)在
时取不同步长时得到的数值解的最大误差,收敛阶,CPU时间(秒)。从表中可以看到当
时,数值解在最大范数意义下有
的收敛阶。从而,表1表明了定理2.1的正确性。
Table 1. Difference method (3a)~(3f) numerical results for this problem
表1. 差分方法(3a)~(3f)求解该问题得到的数值结果(
)
4. 结论
本文受抛物方程的Du Fort-Frankel差分法的启发,对非线性耦合波动方程组建立了Du Fort-Frankel差分格式。运用能量分析法,证明了它在最大范数意义下有
的收敛阶。数值结果验证了理论结果的正确性。
基金项目
国家自然科学基金项目(No. 11861047);江西省自然科学基金(20202BABL201005);江西省杰出青年基金(20212ACB211006)。