四阶线性方程的隐显式全离散局部间断Galerkin方法
Implicit-Explicit Fully Discrete Local Discontinuity Galerkin Method for Fourth-Order Linear Equations
摘要: 针对一维四阶线性方程,研究了一种隐显式Runge-Kutta全离散局部间断Galerkin方法的稳定性和最优误差估计。空间离散采用局部间断Galerkin方法,时间离散选用强稳定显式Runge-Kutta方法和具有L稳定对角隐式Runge-Kutta方法相结合的三阶隐显式Runge-Kutta方法,数值流通量采用广义交替数值流通量,从而得到全离散LDG格式,分析了该格式的稳定性,同时引入全局Gauss-Radau投影,证明该格式具有 k+1 阶收敛。最后通过数值实验验证理论结果的正确性。
Abstract: The stability and error estimation of an implicit-explicit Runge-Kutta fully discrete local discontinuous Galerkin method for one-dimensional fourth-order linear equations are studied. The local discontinuity Galerkin method is used for spatial discretization, and the third-order implicit-explicit Runge-Kutta method combining the strong-stability-preserving explicit Runge-Kutta method and the implicit Runge-Kutta method with L-stable diagonal implicit is used for time marching, and the numerical circulation adopts the generalized alternating numerical flux, so as to obtain the fully discrete LDG scheme, and the stability of the scheme is analyzed, and the generalized Gauss-Radau projection is introduced to prove that the scheme has k+1 order convergence. Finally, the theoretical results are verified by numerical experiments.
文章引用:赵思敏, 宋灵宇. 四阶线性方程的隐显式全离散局部间断Galerkin方法[J]. 应用数学进展, 2025, 14(4): 437-452. https://doi.org/10.12677/aam.2025.144175

1. 引言

自然界中的很多现象都可以被抽象成偏微分方程模型,因此对于偏微分方程的研究一直是学者们重点关注的领域。四阶方程就是其中一类重要方程,具有广泛应用,通常用于描述一些复杂的物理现象,比如弹性波动、热传导等,因此对于它们的求解有很高的理论价值和应用价值。

间断Galerkin (Discontinuous Galerkin,简称DG)方法最早出现在1973年,是在研究中子运输问题时由Reed [1]和Hill提出来的,此方法易解决复杂初边值问题,稳定性强,而且具有高精度等特点。局部间断Galerkin (Local Discontinuous Galerkin,简称LDG)是对DG方法的扩展,是受Bassi [2]和Rebay关于可压缩Navier-Stokes方程的工作的启发,由Cockburn [3]和Shu针对二维对流扩散问题,首次提出并发展了LDG方法,并给出了LDG方法的基本框架以及一些理论分析。此方法不仅继承了DG方法的优点还可以解决DG方法解决不了的高阶偏微分方程。因此,LDG方法对于求解高阶偏微分方程备受众多学者关注,之后被用于求解Kdv方程[4]、Hunter-Saxton方程[5]、Cahn-Hilliard方程[6]和波动方程[7] [8]等多种方程。

近年来,越来越多的学者开始研究全离散LDG方法,即就是在空间上用LDG方法离散与时间离散方法相结合。Wang等[9]针对一维具有Dirichlet边界条件的线性对流扩散方程,采用三阶显式总变差递减Runge-Kutta方法和LDG方法相结合得到全离散数值格式,利用能量分析得到了空间和时间上的最优误差估计。We等[10]针对四阶时间分数阶问题,基于时间上的有限差分格式和空间上的局部间断Galerkin方法,提出并分析了一种全离散的LDG方法。Wang等[11]将LDG方法与三种特定的隐显式Runge-Kutta时间离散化方法结合,针对一维瞬态线性四阶方程进行稳定性分析和误差估计。Wang等[12]分析了求解对流扩散问题的基于广义交替数值流通量隐显式Runge-Kutta时间推进的LDG方法。Bi等[13]针对四阶线性调和方程,采用三阶对角隐式Runge-Kutta方法,研究了全离散LDG方法的稳定性和误差估计。Xiao等[14]针对变阶四阶方程,将基于广义交替数值流通量的LDG方法和时间上采取有限差分法相结合得到全离散LDG格式,分析其稳定性和误差估计。用LDG方法解决高阶方程时,数值流通量常用纯迎风数值流通量 u ^ h = u h , q ^ h = q h + ,而广义交替数值流通量 u ^ h =θ u h +( 1θ ) u h + 能为数值格式提供更大的灵活度,并会减少在计算过程中产生数值耗散,而且权重 θ 可以偏向单元边界两侧中迎风侧数值解的值使其满足迎风原理,所以深受学者关注。由此,本文针对一类一维线性四阶方程,研究了一种隐显式全离散LDG方法的稳定性和误差分析,时间离散选用将强稳定显式Runge-Kutta方法和具有L稳定对角隐式Runge-Kutta方法相结合的三阶隐显式Runge-Kutta方法,空间离散采用局部间断Galerkin方法,数值流通量采用广义交替数值流通量,从而得到全离散LDG格式,在理论上分析了该格式的稳定性并建立了最优误差估计,最终也通过数值算例验证理论结果。

2. LDG方法和全离散格式

2.1. 预备知识

首先对于区域 I=( a,b ) 进行剖分, a= x 1/2 < x 3/2 << x N1/2 < x N+1/2 =b ,剖分成 N 个单元,剖分所得

集合记为 h = { I j =( x j1/2 , x j+1/2 ) } j=1 N ,其中 I j 为一个单元,记作 I j =( x j1/2 , x j+1/2 ) ,单元的中点记作

x j = ( x j+1/2 + x j1/2 )/2 ,单元的长度记作 h j = x j+1/2 x j1/2 ,并且 h=max h j 。然后定义有限元空间

V h V h k ={ v h L 2 ( I ): v h | I j P k ( I j ), j=1,2,,N }

其中 P k ( I j ) 表示区间 I j 上次数不超过 k 次的多项式集合。如果 v( x ) V h ,定义 v= v + v 表示 v x 点的跳跃, v ( θ ) =θ v + +( 1θ ) v 表示 v x 点的加权平均,这里 θ 为常数,用 x j+1/2 x j+1/2 + 表示在 x j+1/2 的左极限和右极限。

对于正整数 1 H ( ) 表示函数本身及其 阶导数在 上都是平方可积的空间,然后定义分裂的

Sobolev空间为 H ( h )={ v L 2 ( I ): v| I j H ( I j ),j=1,2,,N }

接下来介绍在进行误差估计的过程中要用到的全局Gauss-Radau投影。

对于 u H 1 ( h ) ,全局Gauss-Radau投影 P h u V h 满足如下式子:

I j ( u P h u )vdx =0,       v P k1 ( I j ), θ ( u P h u ) j+ 1 2 ± +( 1θ ) ( u P h u ) j+ 1 2 =0, (1)

这里 j=1,2,,N

根据文献[15],能够得到全局Gauss-Radau投影有如下性质:

1.1对于 u H ( h ) 且正整数 1 ,全局Gauss-Radau投影 P h u 如上定义,可得

u P h u + h 1/2 u P h u Γ h C h min{ k+1, } u H ( h )

对于 v V h v Γ h 2 = j=1 N v I j 2 v I j = ( v j1/2 + ) 2 + ( v j+1/2 ) 2 C>0 而且取值和 u 无关。

2.2. 四阶线性方程的半离散LDG格式

考虑如下带有周期边界条件的一维四阶线性方程:

u t + u x + u xxxx = u xx ,        ( x,t )( a,b )×( 0,T ], u( x,0 )= u 0 ( x ),              x( a,b ), (2)

u 0 ( x ) 是光滑函数。

在此引入辅助函数 q= u x ,p= q x ,r= p x ,能够得到和方程(2)等价的一阶系统

u t + u x q x + r x =0, q= u x , p= q x , r= p x , (3)

给一阶系统两端同乘试验函数,对于 t[ 0,T ] ,任意试验函数 ρ,ω,ϕ,ψ V h ,使得数值解 u h , p h , q h , r h V h 满足

I j ( u h ) t ρdx I j u h ρ x dx + u h θ ρ | j+ 1 2 u h θ ρ + | j 1 2 + I j q h ρ x dx q h θ ˜ ρ | j+ 1 2 + q h θ ˜ ρ + | j 1 2      I j r h ρ x dx + r h θ ˜ ρ | j+ 1 2 r h θ ˜ ρ + | j 1 2 =0, I j q h ωdx + I j u h ω x dx u h θ ω | j+ 1 2 + u h θ ω + | j 1 2 =0, I j p h ϕdx + I j q h ϕ x dx q h θ ˜ ϕ | j+ 1 2 + q h θ ˜ ϕ + | j 1 2 =0, I j r h ψdx + I j p h ψ x dx p h θ ψ | j+ 1 2 + p h θ ψ + | j 1 2 =0, (4)

其中 u h θ , q h θ ˜ , p h θ , r h θ ˜ 为数值流通量,为了数值格式有更大的灵活度,所以选择广义交替数值流通量,其表达式如下:

u h θ =θ u h + θ ˜ u h + , q h θ ˜ =θ q h + + θ ˜ q h , p h θ =θ p h + θ ˜ p h + , r h θ ˜ =θ r h + + θ ˜ r h (5)

这里 θ ˜ =1θ

为方便后面的分析引入离散算子,对于 u,v V h

H + ( u,v )= u v x dx u θ v | j+ 1 2 + u h θ v + | j 1 2 , H ( u,v )= u v x dx u θ ˜ v | j+ 1 2 + u h θ ˜ v + | j 1 2 . (6)

因此LDG格式可写为:对于 t[ 0,T ] ,任意试验函数 ρ,ω,ϕ,ψ V h ,使得 u h , p h , q h , r h V h 满足

( ( u h ) t ,ρ )=H( φ h ,ρ )+ H ( r h ,ρ ), (7.1)

( q h ,ω )= H + ( u h ,ω ), (7.2)

( p h ,ϕ )= H ( q h ,ϕ ), (7.3)

( r h ,ψ )= H + ( p h ,ψ ), (7.4)

其中 H( φ h ,ρ )= H + ( u h ,ρ ) H ( q h ,ρ )

当数值流通量选择广义交替数值流通量,对于周期边界条件,离散算子有如下性质:

H + ( u,v )+ H ( v,u )=0, (8)

H + ( v,v )=( θ1/2 ) v 2 . (9)

引理2.1 [11]对于 w,v V h ,独立于h μ 表示逆常数,离散算子满足如下不等式:

| H ± ( w,v ) |( w x + μ h 1 w ) v ,

| H ± ( w,v ) |( v x + μ h 1 v ) w ,

引理2.2 [11]对于 u,q,p V h 且满足式(7.1)~(7.3),存在一个与h无关但可能与 μ 有关的正常数 C μ 满足

u x + μ h 1 u C μ q ,

q x + μ h 1 q C μ p .

2.3. 四阶线性方程的全离散LDG格式

时间离散方式选择文献[16]里的三阶IMEX-SSP(4,3,3)方案,则可得到全离散LDG格式如下:对于 ρ,ω,ϕ,ψ V h q h n,i , p h n,l , r h n,l V h 满足

( u h n,1 ,ρ )=( u h n ,ρ )+ατ H ( r h n,1 ,ρ ) ( u h n,2 ,ρ )=( u h n ,ρ )ατ H ( r h n,1 ,ρ )+ατ H ( r h n,2 ,ρ ) ( u h n,3 ,ρ )=( u h n ,ρ )+τH( φ h n,2 ,ρ )+( 1α )τ H ( r h n,1 ,ρ )+ατ H ( r h n,2 ,ρ ) ( u h n,4 ,ρ )=( u h n ,ρ )+ τ 4 [ H( φ h n,2 ,ρ )+H( φ h n,3 ,ρ ) ]+βτ H ( r h n,1 ,ρ )+δτ H ( r h n,2 ,ρ )                 +στ H ( r h n,3 ,ρ )+ατ H ( r h n,4 ,ρ ) ( u h n+1 ,ρ )=( u h n ,ρ )+ τ 6 [ H( φ h n,2 ,ρ )+H( φ h n,3 ,ρ )+4H( φ h n,4 ,ρ ) ]                 + τ 6 [ H ( r h n,2 ,ρ )+ H ( r h n,3 ,ρ )+4 H ( r h n,4 ,ρ ) ] ( q h n,l ,ω )= H + ( u h n,l ,ω ) ( p h n,l ,ϕ )= H ( q h n,l ,ϕ ) ( r h n,l ,ψ )= H + ( p h n,l ,ψ ) (10)

其中 u n,0 = u n ,l=0,1,2,3,4

3. 稳定性分析

定理3.1:当 θ> 1 2 ,存在与h无关的正常数 τ 0 ,当 τ τ 0 ,一维四阶线性方程(2)的隐显式全离散LDG

格式(10)基于广义交替数值流通量(5)有 u h n c u h 0

证明:由式(8)和式(10)可得

H ( r h n,k , u h n,s )=( p h n,s , p h n,k ), (11)

H ( q h n,k , u h n,s )=( q h n,s , q h n,k ). (12)

由式(10)可得

( u h n,1 u h n , ρ 1 )=ατ H ( r h n,1 , ρ 1 ) ( u h n,2 u h n,1 , ρ 2 )=2ατ H ( r h n,1 , ρ 2 )+ατ H ( r h n,2 , ρ 2 ) ( u h n,3 u h n,2 , ρ 3 )=τH( φ h n,2 , ρ 3 )+ατ H ( r h n,1 , ρ 3 )+( 12α )τ H ( r h n,2 , ρ 3 )+ατ H ( r h n,3 , ρ 3 ) ( 4 u h n,4 3 u h n,2 u h n,3 , ρ 4 )=τH( φ h n,3 , ρ 4 )+4ατ H ( r h n,1 , ρ 4 )4ατ H ( r h n,2 , ρ 4 )                                        +( 14α )τ H ( r h n,3 , ρ 4 )+4ατ H ( r h n,4 , ρ 4 ) ( 3 2 u h n+1 3 u h n,4 1 2 u h n,2 , ρ 5 )=τH( φ h n,4 , ρ 5 )+ α 4 τ H ( r h n,1 , ρ 5 )+ 3α 4 τ H ( r h n,3 , ρ 5 )                                              +( 1α )τ H ( r h n,4 , ρ 5 ) (13)

ρ 1 =6 u h n,1 , ρ 2 =6 u h n,2 , ρ 3 = u h n,2 , ρ 4 = u h n,3 , ρ 5 =4 u h n,4 代入式(13)相加并根据式(11)可得

3 u h n+1 2 3 u h n 2 +3 u h n,1 u h n 2 +3 u h n,2 u h n,1 2 = T 1 + T 2 + T 3 (14)

其中,

T 1 =τH( φ h n,2 , u h n,2 )+τH( φ h n,3 , u h n,3 )+4τH( φ h n,4 , u h n,4 ) (15)

T 2 =τ P n A 1 ( P n ) T dx (16)

T 3 = 2 u h n,4 u h n,2 u h n,3 2 + T 4 + T 5 (17)

其中 P n =( p h n,1 , p h n,2 , p h n,3 , p h n,4 )

A 1 =(     6α      11 2 α      2α        1 2 α 11 2 α     1+4α     3 2 α      0     2α       3 2 α     14α     7 2 α     1 2 α          0           7 2 α    44α )

T 4 =2 2 u h n,4 u h n,2 u h n,3 2 +3( u h n+1 2 u h n,4 + u h n,2 , u h n,3 u h n,2 )       +3( u h n+1 2 u h n,4 + u h n,2 ,2 u h n,4 u h n,2 u h n,3 ) (18)

T 5 =3 u h n+1 2 u h n,4 + u h n,2 2 (19)

由式(10)可得

( 2 u h n,4 u h n,2 u h n,3 ,v )= τ 2 [ H( φ h n,3 ,v )H( φ h n,2 ,v ) ]+ τ 2 ατ H ( r h n,1 ,v )( 1 2 +α )τ H ( r h n,2 ,v )                                    +( 1 2 5α 2 )τ H ( r h n,3 ,v )+2α H ( r h n,4 ,v ) (20)

( u h n+1 2 u h n,4 + u h n,2 ,v )= τ 3 [ 2H( φ h n,4 ,v )H( φ h n,3 ,v )H( φ h n,2 ,v ) ] 3 2 ατ H ( r h n,1 ,v )                                     +( 2α 1 3 )τ H ( r h n,2 ,v )+( 3 2 α 1 3 )τ H ( r h n,3 ,v )+( 2 3 2α ) H ( r h n,4 ,v ) (21)

v 1 =2 u h n,4 u h n,2 u h n,3 , v 2 = u h n,3 u h n,2 , v 3 =2 u h n,4 u h n,2 u h n,3 ,将 v=2 v 1 带入式(20), v=3 v 2 ,v=3 v 3 分别带入式(21)相加并由式(11)可得

T 4 = T 6 τ P n A 2 ( P n ) T dx (22)

其中

A 2 =(     0         3α        3 2 α     3 2 α    3α    310α    1α     8α4 3 2 α     1α      5α1    5 2 α 3 2 α    8α4     5 2 α    44α )

T 6 =τ[ H( φ h n,3 , v 1 )H( φ h n,2 , v 1 ) ]+τ[ 2H( φ h n,4 , v 2 )H( φ h n,3 , v 2 )H( φ h n,2 , v 2 ) ]       +τ[ 2H( φ h n,4 , v 3 )H( φ h n,3 , v 3 )H( φ h n,2 , v 3 ) ] (23)

v 4 =2 u h n,4 + u h n,2 ,将 v=4 v 4 带入式(21)并由式(11)可得

T 5 =( u h n+1 2 u h n,4 + u h n,2 ,3 u h n+1 +2 u h n,4 u h n,2 )+ T 7 +6ατ( p h n,1 , p h n,2 )12α( p h n,1 , p h n,4 )       +( 4 3 8α )( p h n,2 , p h n,2 )+( 4 3 6α )( p h n,2 , p h n,3 )+( 24α 16 3 )( p h n,2 , p h n,4 )       +( 12α 8 3 )( p h n,3 , p h n,4 )+( 16 3 16α )( p h n,4 , p h n,4 ) (24)

其中

T 7 = 4 3 τ[ 2H( φ h n,4 ,2 u h n,4 + u h n,2 )H( φ h n,3 ,2 u h n,4 + u h n,2 )H( φ h n,2 ,2 u h n,4 + u h n,2 ) ] (25)

由Cauchy-Schwarz不等式和Young不等式可得

( v 4 ,3 u h n+1 +2 u h n,4 u h n,2 )=3 u h n+1 2 4( u h n+1 , u h n,4 )+4( u h n,4 , u h n,2 )+2( u h n+1 , u h n,2 )4 u h n,4 2 u h n,2 2 = 2 u h n,4 2 u h n+1 2 u h n,2 u h n+1 2 +4 u h n,4 u h n,2 +2 u h n+1 2 6 u h n,4 2 2 u h n,4 u h n,2 2 +( 52 2 ) u h n+1 2 2 u h n,4 2 +4 u h n,2 2 2 u h n,4 2 + u h n,2 2 +( 52 2 ) u h n+1 2 2 u h n,4 2 +4 u h n,2 2 =( 52 2 ) u h n+1 2 +5 u h n,2 2 (26)

ρ= u h n,2 2 带入式(10)中的第二个式子并由式(11)可得

1 2 u h n,2 2 + 1 2 u h n,2 u h n 2 = 1 2 u h n 2 +ατ( p h n,1 , p h n,2 )ατ( p h n,2 , p h n,2 ) (27)

将式(26)和式(27)带入式(24)可得

T 5 T 7 +( 52 2 ) u h n+1 2 +5 u h n 2 τ P n A 3 ( P n ) T dx (28)

其中

A 3 =(     0            11 2 α           0                6α        11 2 α    13α 4 3      3α 2 3         8 3 12α       0           3α 2 3           0            6α+ 4 3    6α          8 3 12α   6α+ 4 3      16 3 +16α )

将式(15),式(23),式(25)相加,根据式(9),式(12),引理2.1,引理2.2和Young不等式可得

T 1 + T 6 + T 7 7τ( θ 1 2 ) u h n,4 2 τ( θ 1 2 ) u h n,4 u h n,2 2 4 3 τ( θ 1 2 ) u h n,2 2                    +τ( 16 C μ 2 3 ε 1 + 2 C μ 2 ε 2 + 2 C μ 2 3 ε 3 + 2 C μ 2 ε 4 ) 2 u h n,4 u h n,2 u h n,3 2 τ Q n ( B 1 ) ( Q n ) T dx                    + u h n,2 u h n,1 2 + u h n,1 u h n 2 + u h n 2 + ε 4 2 τ p h n,3 2 (29)

其中 Q n =( q h n,2 , q h n,3 , q h n,4 )

B 1 =(   8 3 ε 2 2 ε 3 6        5 6                  5 6         5 6                 1                     1 3      5 6                 1 3           8 3 4 ε 1 3 3 C μ 2 τ )

ε 1 = 3 4 , ε 2 = ε 3 =1 ,当 τ 1 6 C μ 2 时, B 1 正定。

ε 4 =0.08 τ P n ( A 1 + A 2 + A 3 ) ( P n ) T dx+ ε 4 2 τ p h n,3 2 =τ P n A 4 ( P n ) T dx0 ,这里 A 4 正定,

A 4 =(  6α       8α              α 2               5α 8α     12α+ 8 3        α 2 + 1 3       4 3 4α    α 2         α 2 + 1 3         α ε 4 2        4 3 5α   5α     4 3 4α       4 3 5α       8 3 +8α ).

θ> 1 2 7τ( θ 1 2 ) u h n,4 2 τ( θ 1 2 ) u h n,4 u h n,2 2 4 3 τ( θ 1 2 ) u h n,2 2 0

将式(14),式(16),式(17),式(22),式(28)和式(29)相加,综上分析可得

( 2 2 2 ) u h n+1 2 9 u h n 2 +2 u h n,1 u h n 2 +2 u h n,2 u h n,1 2 ( 1 313 C 2 τ 9 ) 2 u h n,4 u h n,2 u h n,3 2 ,所以,当

τ τ 0 = 9 313 C μ 2 时, ( 2 2 2 ) u h n+1 2 9 u h n 2 ,即可得到 u h n c u h 0

4. 误差分析

u 是方程(2)的精确解,为了进行误差估计,引入参考函数 u ( l ) ( t ), q ( l ) ( t ), p ( l ) ( t ), r ( l ) ( t ),( l=0,1,2,3,4 ) u ( 0 ) ( t )=u( t ) ,满足:

u 1 = u 0 ατ r x 1 u 2 = u 0 +ατ r x 1 ατ r x 2 u 3 = u 0 τ φ 2 ( 1α )τ r x 2 ατ r x 3 u 4 = u 0 τ 4 ( φ 2 + φ 3 )βτ r x 1 δτ r x 2 στ r x 3 ατ r x 4 u n+1 = u 0 τ 6 ( φ 2 + φ 3 +4 φ 4 ) τ 6 ( r x 2 + r x 3 +4 r x 4 )+ ζ n (30)

其中 φ l = u l q l , q l = u x l , p l = q x l , r l = p x l ς n 是估计的截断误差,满足

ς n C τ 4

这里 C 依赖于 u t , u tt , u ttt u tttt

假设精确解满足如下的光滑度条件:

u L ( 0,T; H k+4 ), D t 1 u L ( 0,T; H k+3 ), D t 2 u L ( 0,T; H k+2 ), D t 3 u L ( 0,T; H k+1 ), D t 4 u L ( 0,T; L 2 ) (31)

这里 D t γ u 表示 u t γ 阶导数。

在时间层面上定义参考函数 u n,l = u l ( x, t n ), q n,l = q l ( x, t n ), p n,l = p l ( x, t n ), r n,l = r l ( x, t n )

参考函数满足如下变分形式,对于 ρ,ω,ϕ,ψ V h

( u n,1 ,ρ )=( u n ,ρ )+ατ H ( r n,1 ,ρ ) ( u n,2 ,ρ )=( u n ,ρ )ατ H ( r n,1 ,ρ )+ατ H ( r n,2 ,ρ ) ( u n,3 ,ρ )=( u n ,ρ )+τH( φ n,2 ,ρ )+( 1α )τ H ( r n,1 ,ρ )+ατ H ( r n,2 ,ρ ) ( u n,4 ,ρ )=( u n ,ρ )+ τ 4 [ H( φ n,2 ,ρ )+H( φ n,3 ,ρ ) ]+βτ H ( r n,1 ,ρ )                +δτ H ( r n,2 ,ρ )+στ H ( r n,3 ,ρ )+ατ H ( r n,4 ,ρ ) ( u n+1 ,ρ )=( u n ,ρ )+ τ 6 [ H( φ n,2 ,ρ )+H( φ n,3 ,ρ )+4H( φ n,4 ,ρ ) ]                 + τ 6 [ H ( r n,2 ,ρ )+ H ( r n,3 ,ρ )+4 H ( r n,4 ,ρ ) ]+( ς n ,ρ ) ( q n,l ,ω )= H + ( u n,l ,ω ) ( p n,l ,ϕ )= H ( q n,l ,ϕ ) ( r n,l ,ψ )= H + ( p n,l ,ψ ) (32)

其中 l=0,1,2,3,4

定义精确解 u 和数值解 u h 之间的误差为

( e u n,l , e q n,l , e p n,l , e r n,l )=( u n,l u h n,l , q n,l q h n,l , p n,l p h n,l , r n,l r h n,l ),l=0,1,2,3,4

作为有限元分析中的标准处理,我们一般将误差分成 e=ξη ,其中

η=( η u , η q , η p , η r )=( P h uu, P h qq, P h pp, P h rr ), ξ=( ξ u , ξ q , ξ p , ξ r )=( P h u u h , P h q q h , P h p p h , P h r r h )

这里为了方便,上标 n,l 被省略了。

由投影的定义我们得到:对于 ρ,ω,ϕ,ψ V h ,有 H + ( η u ,ρ )=0, H ( η q ,ω )=0, H + ( η p ,ϕ )=0, H ( η r ,φ )=0

根据全局Gauss-Radau投影的性质,引理1.1和光滑性假设(31)可得

η u n,l + η q n,l + η p n,l + η r n,l + h 1/2 η u n,l Γ h C h k+1 (33)

η u n,1 η u n C h k+1 τ, η u n,2 η u n,1 C h k+1 τ, η u n,3 η u n,2 C h k+1 τ 4 η u n,4 3 η u n,2 η u n,3 C h k+1 τ, 3 2 η u n+1 3 η u n,4 1 2 η u n,2 C h k+1 τ (34)

这里 l=0,1,2,3,4 C 的取值取决于精确解的光滑度。

接下来用式(32)减去式(10),给出误差 ξ 的估计如下:

( ξ u n,1 ,ρ )=( ξ u n ,ρ )+ατ H ( ξ r n,1 ,ρ )+( η u n,1 η u n ,ρ ) ( ξ u n,2 ,ρ )=( ξ u n ,ρ )ατ H ( ξ r n,1 ,ρ )+ατ H ( ξ r n,2 ,ρ )+( η u n,2 η u n ,ρ ) ( ξ u n,3 ,ρ )=( ξ u n ,ρ )+τH( ξ φ n,2 ,ρ )+( 1α )τ H ( ξ r n,1 ,ρ )+ατ H ( ξ r n,2 ,ρ )+( η u n,3 η u n ,ρ ) ( ξ u n,4 ,ρ )=( ξ u n ,ρ )+ τ 4 [ H( ξ φ n,2 ,ρ )+H( ξ φ n,3 ,ρ ) ]+βτ H ( ξ r n,1 ,ρ )+δτ H ( ξ r n,2 ,ρ )                 +στ H ( ξ r n,3 ,ρ )+ατ H ( ξ r n,4 ,ρ )+( η u n,4 η u n ,ρ ) ( ξ u n+1 ,ρ )=( ξ u n ,ρ )+ τ 6 [ H( ξ φ n,2 ,ρ )+H( ξ φ n,3 ,ρ )+4H( ξ φ n,4 ,ρ ) ]                 + τ 6 [ H ( ξ r n,2 ,ρ )+ H ( ξ r n,3 ,ρ )+4 H ( ξ r n,4 ,ρ ) ]+( η u n+1 η u n ,ρ )+( ζ n ,ρ ) ( ξ q n,l ,ω )= H + ( ξ u n,l ,ω )+( η q n,l ,ω ) ( ξ p n,l ,ϕ )= H ( ξ q n,l ,ϕ )+( η p n,l ,ϕ ) ( ξ r n,l ,ψ )= H + ( ξ p n,l ,ψ )+( η r n,l ,ψ ) (35)

引理4.1 [12] ξ u , ξ q , ξ p V h 满足(35),并且 v V h ,则存在正整数 C 满足如下不等式

| H( ξ u ,v ) |C( ξ q + h k+1 ) v ,| H( ξ q ,v ) |C( ξ p + h k+1 ) v .

定理4.1 u 是一维四阶线性方程(2)的精确解而且满足光滑性假设(31),有限元空间是分段多项式空

V h u h 是隐显式Runge-Kutta LDG格式(11)的数值解,当 θ> 1 2 ,存在与 h 无关的正常数 τ 0 ,当 τ τ 0 ,有如下误差估计

max nτT u( t n ) u h n C( h k+1 + τ 3 ).

证明:由式(35)可得

( ξ u n,1 ξ u n , ρ 1 )=ατ H ( ξ r n,1 , ρ 1 )+( η u n,1 η u n , ρ 1 ) ( ξ u n,2 ξ u n,1 , ρ 2 )=2ατ H ( ξ r n,1 , ρ 2 )+ατ H ( ξ r n,2 , ρ 2 )+( η u n,2 η u n,1 , ρ 2 ) ( ξ u n,3 ξ u n,2 , ρ 3 )=τH( ξ φ n,2 , ρ 3 )+ατ H ( ξ r n,1 , ρ 3 )+( 12α )τ H ( ξ r n,2 , ρ 3 )+ατ H ( ξ r n,3 , ρ 3 )+( η u n,3 η u n,2 , ρ 3 ) ( 4 ξ u n,4 3 ξ u n,2 ξ u n,3 , ρ 4 )=τH( ξ φ n,3 , ρ 4 )+4ατ H ( ξ r n,1 , ρ 4 )4ατ H ( ξ r n,2 , ρ 4 )+( 14α )τ H ( ξ r n,3 , ρ 4 )                                         +4ατ H ( ξ r n,4 , ρ 4 )+( 4 η u n,4 3 η u n,2 η u n,3 , ρ 4 ) ( 3 2 ξ u n+1 3 ξ u n,4 1 2 ξ u n,2 , ρ 5 )=τH( ξ φ n,4 , ρ 5 )+ α 4 τ H ( ξ r n,1 , ρ 5 )+ 3α 4 τ H ( ξ r n,3 , ρ 5 )+( 1α )τ H ( ξ r n,4 , ρ 5 )                                              +( 3 2 η u n+1 η ξ u n,4 1 2 η u n,2 , ρ 5 )+ 3 2 ( ζ n , ρ 5 ) (36)

由式(35)和式(8)可得

H ( ξ r n,k , ξ u n,s )=( η p n,s , ξ p n,k )( ξ p n,s , ξ p n,k ) (37)

H ( ξ q n,k , ξ u n,s )=( ξ q n,s , ξ q n,k )( η q n,s , ξ q n,k ) (38)

ρ 1 =6 ξ u n,1 , ρ 2 =6 ξ u n,2 , ρ 3 = ξ u n,2 , ρ 4 = ξ u n,3 , ρ 5 =4 ξ u n,4 带入式(36)可得

3 ξ u n+1 2 3 ξ u n 2 +3 ξ u n,1 ξ u n 2 +3 ξ u n,2 ξ u n,1 2 = R 1 + R 2 + R 3 + R 4 (39)

其中,

R 1 =τH( ξ φ n,2 , ξ u n,2 )+τH( ξ φ n,3 , ξ u n,3 )+4τH( ξ φ n,4 , ξ u n,4 ) (40)

R 2 =τ ξ p n A 1 ( ξ p n ) T dx+τ η p n A 1 ( η p n ) T dx (41)

R 3 = 2 ξ u n,4 ξ u n,2 ξ u n,3 2 + R 5 + R 6 (42)

R 4 =6( η u n,1 η u n , ξ u n,1 )+6( η u n,2 η u n,1 , ξ u n,2 )+( η u n,3 η u n,2 , ξ u n,2 )+( 4 η u n,4 3 η u n,2 η u n,3 , ξ u n,3 )        +( 6 η u n,4 4 η u n,2 2 η u n,3 , ξ u n,4 )+6( ζ n , ξ u n,4 ) (43)

其中 ξ p n =( ξ p n,1 , ξ p n,2 , ξ p n,3 , ξ p n,4 ), η p n =( η p n,1 , η p n,2 , η p n,3 , η p n,4 )

R 5 =2 2 ξ u n,4 ξ u n,2 ξ u n,3 2 +3( ξ u n+1 2 ξ u n,4 + ξ u n,3 , ξ u n,3 ξ u n,2 )+3( ξ u n+1 2 ξ u n,4 + ξ u n,3 ,2 ξ u n,4 ξ u n,2 ξ u n,3 ) (44)

R 6 =3 ξ u n+1 2 ξ u n,4 + ξ u n,3 2 (45)

由式(36)可得

( 2 ξ u n,4 ξ u n,2 ξ u n,3 ,v )= τ 2 [ H( ξ φ n,3 ,v )H( ξ φ n,2 ,v ) ]+ τ 2 ατ H ( ξ r n,1 ,v )( 1 2 +α )τ H ( ξ r n,2 ,v )                                     +( 1 2 5 2 α )τ H ( ξ r n,3 ,v )+2α H ( ξ r n,4 ,v )+( 2 η u n,4 η u n,2 η u n,3 ,v ) (46)

( ξ u n+1 2 ξ u n,4 + ξ u n,2 ,v )= τ 3 [ 2H( ξ φ n,4 ,v )H( ξ φ n,3 ,v )H( ξ φ n,2 ,v ) ] 3 2 ατ H ( ξ r n,1 ,v )                                     +( 2α 1 3 )τ H ( ξ r n,2 ,v )+( 3 2 α 1 3 )τ H ( ξ r n,3 ,v )                                     +( 2 3 2α ) H ( ξ r n,4 ,v )+( η u n+1 2 η u n,4 + η u n,2 ,v )+( ζ n ,v ) (47)

v 5 =2 ξ u n,4 ξ u n,2 ξ u n,3 , v 6 = ξ u n,3 ξ u n,2 , v 7 =2 ξ u n,4 ξ u n,2 ξ u n,3 ,将 v=2 v 5 ,v=3 v 6 带入式(46),将 v=3 v 6 v=3 v 7 带入式(47)可得

R 5 = R 7 τ ξ p n A 2 ( ξ p n ) T dx+τ η p n A 2 ( η p n ) T dx+ R 8 (48)

其中

R 7 =τH( ξ φ n,3 , v 5 )τH( ξ φ n,2 , v 5 )+2τH( ξ φ n,4 , v 6 )τH( ξ φ n,3 , v 6 )       τH( ξ φ n,2 , v 6 )+2τH( ξ φ n,4 , v 7 )τH( ξ φ n,3 , v 7 )τH( ξ φ n,2 , v 7 ) (49)

R 8 =( 2 η u n,4 η u n,2 η u n,3 , v 5 )+( η u n+1 2 η u n,4 + η u n,2 , v 6 )+( ζ n , v 6 )+( η u n+1 2 η u n,4 + η u n,2 , v 7 )+( ζ n , v 7 ) (50)

由式(26)得

( ξ u n+1 2 ξ u n,4 + ξ u n,2 ,3 ξ u n+1 +2 ξ u n,4 ξ u n,2 )( 52 2 ) ξ u n+1 2 +5 ξ u n,2 2 (51)

ρ=2 ξ u n,1 带入式(35)的第二个式子可得

ξ u n,2 2 + ξ u n,2 ξ u n 2 ξ u n 2 =2ατ( η p n,2 , ξ p n,1 )+2ατ( ξ p n,2 , ξ p n,1 )+2ατ( η p n,2 , ξ p n,2 )                                               2ατ( ξ p n,2 , ξ p n,2 )+2( η u n,2 η u n , ξ u n,2 ) (52)

5 ξ u n,2 2 5 ξ u n 2 10ατ( η p n,2 , ξ p n,1 )+10ατ( ξ p n,2 , ξ p n,1 )+10ατ( η p n,2 , ξ p n,2 )                10ατ( ξ p n,2 , ξ p n,2 )+10( η u n,2 η u n , ξ u n,2 ) (53)

v 8 =2 ξ u n,4 + ξ u n,2 ,将 v=4 v 4 入式(47)并由式(51)和式(53)可得

R 6 ( 52 2 ) ξ u n+1 2 +5 ξ u n 2 + R 9 τ ξ p n A 3 ( ξ p n ) T dx+τ η p n A 3 ( η p n ) T dx+ R 10 (54)

其中,

R 9 = 4τ 3 [ 2H( ξ φ n,4 ,2 ξ u n,4 + ξ u n,2 )H( ξ φ n,3 ,2 ξ u n,4 + ξ u n,2 )H( ξ φ n,2 ,2 ξ u n,4 + ξ u n,2 ) ] (55)

R 10 =( η u n+1 2 η u n,4 + η u n,2 ,4 v 8 )+( ζ n ,4 v 8 )+10( η u n,2 η u n , ξ u n,2 ) (56)

将式(40),式(49),式(55)相加,根据式(9),式(33),式(34),式(38),引理4.1和Young不等式可得

R 1 + R 7 + R 9 7τ( θ 1 2 ) ξ u n,4 2 τ( θ 1 2 ) ξ u n,4 ξ u n,2 2 4 3 τ( θ 1 2 ) ξ u n,2 2                       +τ( 16 C 2 3 ε 1 + 2 C 2 ε 2 + 2 C 2 3 ε 3 + 2 C 2 ε 4 ) 2 ξ u n,4 ξ u n,2 ξ u n,3 2 + ε 4 2 τ ξ p n,4 2                       +C h 2k+2 ττ ξ q n B 1 ( ξ q n ) T dx+τ η q n B 1 ( ξ q n ) T dx+3 C μ 2 τ 2 ξ q n,4 2                       + ξ u n,2 ξ u n,1 2 + ξ u n,1 ξ u n 2 + ξ u n 2 (57)

其中 ξ q n =( ξ q n,2 , ξ q n,3 , ξ q n,4 ), η p n =( η q n,2 , η q n,3 , η q n,4 )

将式(43),式(50),式(56)相加,根据式(33),式(34),Cauchy-Schwarz不等式和Young不等式可得

R 4 + R 8 + R 10 C( h 2k+2 τ+ τ 7 )+ ε 2 ( ξ u n,1 2 + ξ u n,2 2 + ξ u n,3 2 + ξ u n,4 2 ) (58)

ρ=2 ξ u n,1 带入式(33)的第一个式子并由式(37)和Young不等式可得

ξ u n,1 2 + ξ u n,1 ξ u n 2 ξ u n 2 =2ατ( η p n,1 , ξ p n,1 )2ατ( ξ p n,1 , ξ p n,1 )+2( η u n,1 η u n , ξ u n,1 )                                           ( ε ˜ 1 2 2α )τ ξ p n,1 2 + 1 2 ξ u n,1 2 +C h 2k+2 τ

由式(52)可得

ξ u n,2 2 + ξ u n,2 ξ u n 2 ξ u n 2 ε ˜ 2 2 τ ξ p n,1 2 +2ατ( ξ p n,2 , ξ p n,1 )( 2α ε ˜ 2 2 )τ ξ p n,2 2 + 1 2 ξ u n,2 2 +C h 2k+2 τ

则有 ξ u n,2 2 2 ξ u n 2 + ε ˜ 2 τ ξ p n,1 2 +4ατ( ξ p n,2 , ξ p n,1 )( 4α ε ˜ 2 )τ ξ p n,2 2 +C h 2k+2 τ

ρ=2 ξ u n,3 带入式(33)的第三个式子并由式(37),式(38)和Young不等式可得

ξ u n,3 2 + ξ u n,3 ξ u n 2 ξ u n 2 C τ 2 ξ q n,2 2 + 1 2 ξ u n,3 2 +C h 2k+2 τ+2τ( η q n,3 , ξ q n,2 )2τ( ξ q n,3 , ξ q n,2 )   +2( 1α )τ( η p n,3 , ξ p n,2 )2( 1α )τ( ξ p n,3 , ξ p n,2 )+2ατ( η p n,3 , ξ p n,3 )2ατ( ξ p n,3 , ξ p n,3 )

则有

ξ u n,3 2 2 ξ u n 2 +C τ 2 ξ q n,2 2 +C h 2k+2 τ+4τ( η q n,3 , ξ q n,2 )4τ( ξ q n,3 , ξ q n,2 )+4( 1α )τ( η p n,3 , ξ p n,2 )             4( 1α )τ( ξ p n,3 , ξ p n,2 )+4ατ( η p n,3 , ξ p n,3 )4ατ( ξ p n,3 , ξ p n,3 )

ρ=2 ξ u n,4 带入式(33)的第四个式子并由式(37),式(38)和Young不等式可得

ξ u n,4 2 + ξ u n,4 ξ u n 2 ξ u n 2 C τ 2 ξ q n,2 2 +C τ 2 ξ q n,3 2 + τ 2 ( η q n,4 , ξ q n,2 ) τ 2 ( ξ q n,4 , ξ q n,2 )+ τ 2 ( η q n,4 , ξ q n,3 ) τ 2 ( ξ q n,4 , ξ q n,3 )   +2βτ( η p n,4 , ξ p n,1 )2βτ( ξ p n,4 , ξ p n,1 )+2δτ( η p n,4 , ξ p n,2 )2δτ( ξ p n,4 , ξ p n,2 )+2στ( η p n,4 , ξ p n,3 )   2στ( ξ p n,4 , ξ p n,2 )+2ατ( η p n,4 , ξ p n,4 )2ατ( ξ p n,4 , ξ p n,4 )+ 1 2 ξ u n,3 2 +C h 2k+2 τ

则有

ξ u n,4 2 2 ξ u n 2 +C τ 2 ξ q n,2 2 +C τ 2 ξ q n,3 2 +τ( η q n,4 , ξ q n,2 )τ( ξ q n,4 , ξ q n,2 )+τ( η q n,4 , ξ q n,3 )τ( ξ q n,4 , ξ q n,3 )              +4βτ( η p n,4 , ξ p n,1 )4βτ( ξ p n,4 , ξ p n,1 )+4δτ( η p n,4 , ξ p n,2 )4δτ( ξ p n,4 , ξ p n,2 )+4στ( η p n,4 , ξ p n,3 )              4στ( ξ p n,4 , ξ p n,3 )+4ατ( η p n,4 , ξ p n,4 )4ατ( ξ p n,4 , ξ p n,4 )+C h 2k+2 τ

综上分析可得,

ξ u n,1 2 + ξ u n,2 2 + ξ u n,3 2 + ξ u n,4 2 C ξ u n 2 τ ξ p n A 5 ( ξ p n ) T dx+τ η p n A 5 ( η p n ) T dxτ ξ q n B 2 ( ξ q n ) T dx   +τ η q n B 2 ( η q n ) T dx+C h 2k+2 τ+3ατ ξ p n ( ξ p n ) T dx3ατ η p n ( η p n ) T dx   +( 3+Cτ )τ ξ q n ( ξ q n ) T dx( 3+Cτ )τ η q n ( η q n ) T dx

其中,

A 5 =( 5α ε ˜ 1 ε ˜ 2       2α              0                 α 2     2α          7α ε ˜ 2        2α2α        1 2 α        0             2α2α          7α             1 2 3α 2       α 2                1 2 α          1 2 3α 2            7α )

B 2 =( 3       2      1 2 2       3      1 2 1 2       1 2      3 )

ε ˜ 1 =0.01, ε ˜ 2 =0.01 时,且存在 ε ˜ 3 , ε ˜ 4 0.05 使得 A 5 ε ˜ 3 I 正定, B 2 ε ˜ 4 I 正定,则有

ξ u n,1 2 + ξ u n,2 2 + ξ u n,3 2 + ξ u n,4 2 C ξ u n 2 +C h 2k+2 τ+3ατ ξ p n ( ξ p n ) T dx3ατ η p n ( η p n ) T dx                                                      +( 3+Cτ )τ ξ q n ( ξ q n ) T dx( 3+Cτ )τ η q n ( η q n ) T dx

综上所述,所以有

R 4 + R 8 + R 10 C( h 2k+2 τ+ τ 7 )+C ξ u n 2 + 3 2 αετ ξ p n ( ξ p n ) T dx 3 2 αετ η p n ( η p n ) T dx                       + 3+Cτ 2 ετ ξ q n ( ξ q n ) T dx 3+Cτ 2 ετ η q n ( η q n ) T dx (59)

ε 1 = 3 4 , ε 2 = ε 3 =1, ε 4 =0.08 ,当 θ> 1 2 时,将式(39),式(41),式(42),式(48),式(54),式(57)和式(59)相加可得

( 2 2 2 ) ξ u n+1 2 9 ξ u n 2 C ξ u n 2 ( 1 313 C 2 τ 9 ) 2 ξ u n,4 ξ u n,2 ξ u n,3 2 τ ξ p n ( A 4 3 2 αεI ) ( ξ p n ) T dx   +τ η p n ( A 4 3 2 αεI ) ( ξ p n ) T dxτ ξ q n ( B 1 3+Cτ 2 εI ) ( ξ q n ) T dx   +τ η q n ( B 1 3+Cτ 2 εI ) ( ξ q n ) T dx+C( h 2k+2 τ+ τ 7 ) C ξ u n 2 ( 1 313 C 2 τ 9 ) 2 ξ u n,4 ξ u n,2 ξ u n,3 2 τ ξ p n ( A 4 3 2 αεI ε ^ 1 I ) ( ξ p n ) T dx   τ ξ q n ( B 1 3+Cτ 2 εI ε ^ 2 I ) ( ξ q n ) T dx+C( h 2k+2 τ+ τ 7 )

ε=min{ 1 300α , 1 300+Cτ } ε ^ 1 , ε ^ 2 0.005 A 4 3 2 αεI ε ^ 1 I 正定, B 1 3+Cτ 2 εI ε ^ 2 I 正定,当 τ τ 0 = 9 313 C 2 ,即可得到 ξ u n+1 2 C ξ u n 2 +C( h 2k+2 τ+ τ 7 ) ,由于 ξ u 0 C h k+1 ,再由Gronwall’s不等式可得 ξ u n C( h k+1 + τ 3 )

注意这里证明过程中C的值不相同。

5. 数值算例

1考虑如下一维四阶线性方程,边界条件是周期边界条件:

u t + u x + u xxxx = u xx ,       ( x,t )( 0,2π )×( 0,T ], u( x,0 )=sinx,                      x( 0,2π ).

方程的精确解为 u( x,t )= e 2t sin( xt ) ,在 P 0 , P 1 , P 2 有限元空间上数值误差和收敛阶。

表1中,时间步长选择 τ=h ,在表2中,时间步长选择 τ=0.01× h 2 ,在表3中,时间步长选择 τ=0.001× h 4 ,时刻都是 T=0.01 ,从表格中可以看到选取不同数值流通量,隐显式全离散LDG方法可以达到 k+1 阶收敛精度,数值结果与理论结果相符。

Table 1. L 2 Error and convergence order for different θ ( k=0 )

1. 在不同 θ L 2 误差与收敛阶 ( k=0 )

N

θ=0.75

θ=1

θ=1.25

L 2 误差

阶数

L 2 误差

阶数

L 2 误差

阶数

20

5.1544e−1

5.1192e−1

5.1174e−1

40

2.5679e−1

2.5528e−1

2.5423e−1

60

1.6815e−1

1.01

1.6715e−1

1.00

1.6628e−1

1.01

80

1.2417e−1

1.05

1.2341e−1

1.05

1.2270e−1

1.05

120

8.1538e−2

1.04

8.102 e−2

1.04

8.0519e−2

1.05

160

6.1737e−2

1.01

6.1352e−2

1.01

6.0972e−2

1.01

Table 2. L 2 Error and convergence order for different θ ( k=1 )

2. 在不同 θ L 2 误差与收敛阶 ( k=1 )

N

θ=0.75

θ=1

θ=1.25

L 2 误差

阶数

L 2 误差

阶数

L 2 误差

阶数

20

4.7597e−2

6.0818e−2

8.6066e−2

40

1.2333e−2

1.5929e−2

2.2979e−2

60

5.5595e−3

1.95

7.2039e−3

1.93

1.0455e−2

1.91

80

3.1536e−3

1.97

4.0920e−3

1.96

5.9550e−3

1.95

120

1.4185e−3

1.97

1.8418e−3

1.97

2.6856e−3

1.96

160

8.0672e−4

1.97

1.0469e−3

1.97

1.5262e−3

1.96

Table 3. L 2 Error and convergence order for different θ ( k=2 )

3. 在不同 θ L 2 误差与收敛阶 ( k=2 )

N

θ=0.75

θ=1

θ=1.25

L 2 误差

阶数

L 2 误差

阶数

L 2 误差

阶数

20

3.8863e−2

3.8994e−2

3.9221e−2

40

4.6709e−3

4.6713e−3

4.6744e−3

60

1.3774e−3

3.06

1.3773e−3

3.06

1.3776e−3

3.07

80

5.8034e−4

3.01

5.8030e−4

3.01

5.8034e−4

3.01

120

1.7182e−4

3.00

1.7181e−4

3.00

1.7181e−4

3.00

160

7.2469e−5

3.00

7.1466e−5

3.00

7.2467e−5

3.00

6. 总结

针对一类四阶线性方程,将LDG方法和三阶隐显式Runge-Kutta时间离散相结合,数值流通量采用广义交通数值流通量,从而得到全离散LDG格式,分析了该格式的稳定性和最优误差估计。通过选择不同数值流通量进行数值实验,表明该方法在 P 0 , P 1 , P 2 有限元空间上的精度与理论结果保持一致。

基金项目

国家自然科学基金青年项目(12101482);中国博士后科学基金面上项目(2022M722604);陕西数理基础科学研究项目(23JSQ042);甘肃省科技计划项目(23CXGL0018);西安市科技局高校院所科技人员服务企业项目(24GXFW0038)。

NOTES

*通讯作者。

参考文献

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