一类非线性抛物方程的高精度有限元分析
来源:华佗养生网
河北科技师范学院学报第27卷第2期,2013年6月 Journal of Hebei Normal University of Science&Technology Vo1.27 No.2 Jun.2013 DOI:10.3969/J.ISS N.1672-7983.2013.O2.012 一类非线性抛物方程的高精度有限元分析 尹洪武,张步英,王 静 (1河北科技师范学院数学与信息科技学院,河北秦皇岛,066004;2河北科技师范学院欧美学院) 摘要:研究了一类完全非线性抛物方程的有限元方法,利用插值后处理技巧得到了其经典的双P次有限元方 法半离散格式下的整体超收敛结果。 关键词:完全非线性抛物方程;高精度有限元;插值后处理技巧 中图分类号:0242.21 文献标志码:A 文章编号:1672-7983(2013)02-0053-04 完全非线性抛物方程是一类含时间与空间变量混合偏导的高阶非线性偏微分方程,该类方程具有 着很强的实际应用背景,大量实际的物理学、化学和生物学的数学模型均可抽象为完全非线性抛物方 程。目前,关于这类问题的有限元方法的研究也有很多,如陈红斌等…探讨了该类问题的H 一Galerkin 方法,顾海明等 J、赵国忠等 又分别对完全非线性抛物方程和非线性抛物型积分一微分方程动边界问 题的有限元方法进行了研究。另外,对非线性抛物积分微分方程有限元方法的超收敛的研究也有一 些 j。利用文献[4,5]中的方法,张步英等 研究了一类完全非线性抛物方程双线性有限元方法的整 体超收敛结果。在文献[6]研究结果的基础上,笔者进一步讨论了经典的双P次有限元方法对完全非 线性抛物方程的整体超收敛性质,突破了文献[6]只针对双线性元才存在的整体超收敛结果。 1模型问题 本次研究考虑如下完全非线性抛物方程 ,c( ) 一V・( ( )V )= ),( ,t)∈ ×[0,T] {“( , ):o,( ,£)∈ ×[0,T] (1) Lu(x,0)= 0( ), ∈ 其中: =x。,X2), cR 为一个凸多边形区域,Ⅱ = 。设口( ),c(u)均有正下界,分别记作口。,c0, 且函数口,c 均适当光滑且有界。 1.1相应的弱形式 问题(1)的Galerkin逼近格式为:求u(・,t):[0,明 矾( ),满足:V ∈磁( )。 『(c( ) )+(口( ) , )= ), ), … 、【 u(0)=u。, 、0, 其中(・,・)表示 ( )上的内积,并记If ll =(it, )。 1.2离散问题 设 为满足正则性条件川的 的均匀矩形网格剖分,对于任意的KE ,记h 为单元K的直径,h =m ax h 。本次研究考察(1)的双p次元逼近,相应的有限元空间为: ={ ∈日 ( ); I ∈Q ,K∈ } 其中,Q =span{ ,0≤ , ≤p}。 这样,(1)的Galerkin有限元逼近格式为:求U(・,t):[0,T]_+ ,使得V ∈ 。 基金项目:河北省高等学校科学技术研究项目(项目编号:Z2012170)。 收稿日期:2013-01-03;修改稿收到日期:2013434—17 河北科技师范学院学报 27卷 f(c( ) ,口)+a(U )=( U),t,), 【 (O)=/u。, 其中 为 ( ) 的插值算子。 (f 33)) 2 相关引理 记tO: 一/u, = 一/u ,I1. =IJ・II us(n ̄, 不同的地方表示内容不同。 弓I理1 。 设 , E/F ( ),贝ⅡV移∈ 有: =(口,口) =f口 。c表示广义常数,它在 ( , ) =0(坛“)ll M ll +2. II ( , ) =D( “)II II +2. I1 Il 利用 一日引理及引理1,有: 弓l理2设z‘, ,E/F (力), ( ,t)E ’ (. ×[0,T]),贝4 V ∈ (卢( ,t)v,o, ) =o( )Il :I1 , (卢( ,t)Vw , ) =0( ) :lI . 引理3设a(u),b( )满足相应假设条件,又 , ∈ (0, ;//P ( )),则Vt,∈ (口( ) ,vv)=o(hp¨)II u Il州胁+21 II II (口。(u)vw, )+(口( ) )=0( +1)(II (胂+:)+ (肿+ ))II W l 1另外,在此还需要如下2个重要的不等式:设 (・,t)EL2(力),若 (・,0)=O,则有 II (1)≤ f I lds 且 (4) ds,占>o (5) lI (t)≤c f‘II (s)II ds+占f‘ 3主要结论 定理1设 及 分别是(2)式和(3)式的解,并设u, E£。(0, ;Hp ),则有下列误差估计: II 一 II (Ⅳ。)Chp¨(Il I/,l lL*( + )+ll u ll (肿+ )) 证明:记0=U一/u,由(3)式与(2)式作差得到误差方程为,V ∈ 有 (c(U)0 ,移)+(a(u)Vo, )=(c( ) ,t,)+ )一 ), )+((c( )一c(u))几。,”)+ (a(Ⅱ) ,v口)+((口( )一n(U))V/u,Vv) (6) 为简便起见,记(6)式右端项为a(v)。取t,= ,注意到o(o)=0。对(6)式两端关于t求积分,有 ,f‘(c( ) 。, )曲+÷(口(u)Vo, )=告f‘(口 (u)Vo,Vo)曲+f A( ;)d 0 厶 ●j 0 j 0 (7) 作归纳假设Il V钏 L.)≤l。 利用分部积分法,引理3,及(4)式、(5)式对(7)式右端各项估计如下: 告f二J ‘0 (口 (V)Vo,Vo)dr< ̄C VJ 0 l ldt, ÷f‘J ‘0 (c(u)tc『 , )曲 ̄<Ch2o+ 2(艘+2)+ J 0 II dt, 2期 尹洪武等一类非线性抛物方程的高精度有限元分析 55 号 ( £,)一 n), )曲=号厂0 u)一,( ), d +丢 ( )一jr(u), 曲 ≤c J II o I10 I d.r+÷J‘,J .0‘ I d  ̄Ch2P+ 2 )+ 0 I Idt+C dzds, J 0 J 0J 0 ÷ ((c( )一c( )) 。, )d = ((c(u)一c(Iu))lu , )d + ((c( )一c( )) , )d ≤ 却+。Il 0 。c胂+:,+ JI l l。l ld +C fo'f ll II d ds, J 0 f‘(口( ) )曲+fJ 0 ‘((口( )一口( )) , )d丁  ̄Ch2p+ (Il Il 2州胛+2)+I JⅡ 0州2胛+2】)+C f‘l 1I} dt, J O 结合上述估计结果及初始假设条件,有 c0 ¨孚II Vo II ≤ (II : +2)+ll Il l+2))+c II Vo II d丁+ 占 da"+c I J drds+ If V (8) J 0 j 0 J 0 利用Gronwall不等式,有 lI 2、≤Chp+1(II Il川船+21+Il z‘。I l+21) (9) 由庞加莱不等式知,结论成立。 最后对归纳假设进行证明。类似于文献[9]的方法,由逆不等式及(9)式,当^ 时有 lI Vo lI‘。(‘.)≤ 一 IlVo Il‘。(正2)≤C =o(1) 即IIV口ll州 ≤l的假设是合理可行的。 定理证毕。 4整体超收敛 按照林群等 。 的方法构造力的直径为2 的剖分 ,并记相应的插值算子为 ,满足下列性质 (1) lu= ; (2)lI,2^z‘0 ≤C I lU II,; (3)Il 一 l‘Ill≤ ¨II 0 p ̄2O 定理2在定理l的条件下有: l I—U 0 L。(tl!)≤C +1(II U lI (腑+ )+lI 1 0 -(舯+ )) 证明 由于 U— = 一,2^ + u一Ⅱ,利用定理1,三角不等式及 的性质有: l l—n lI L.( )≤Il 一,2^丸ll (.I5f )+lI ^ — l I(日‘) ≤C 一儿ll州ItI)+ll,2^z‘一II,I l日。) ≤ ¨( I£。( + )+lI 。l l(1tV ̄2)), 定理证毕。 参考文献: [1]陈红斌,徐大,刘晓奇.非线性抛物型偏积分微分方程的H ̄-Galerkin混合有限元方法[J].应用数学学报,2008。31 56 (4):702-712. 河北科技师范学院学报 27卷 [2]顾海明,许秀灵,刘海行.一类完全非线性抛物方程的计算方法[J].青岛化工学院学报,1998,19(2):158—162. [3]赵国忠,曹军.二维非线性抛物型积分一微分方程动边界问题的有限元方法[J].内蒙古大学学报:自然科学版, 2007,38(1):17-21. [4]李潜.非线性抛物型问题的Galerkin逼近的整体超收敛性[J].高等学校计算数学学报,1994(3):288-292. [5] SHI D Y,ZHANG B Y.Hish Accuracy Analysis of Anisotmpie Finite Element Method for Nonlinear Parabolic Integrdiofer- entila equationsp[J].Math Appl,2008,21(3):436442. [6]张步英,吕金凤,胡贵江.一类完全非线性抛物方程有限元方法的整体超收敛[J].重庆文理学院学报:自然科学 版,2009,28(1):22-23. [7] CIARLET P G.The Finite Element Method for Elliptic Problems[M].Noah.Holland:Amsterdam,1987. [8]林群,严宁宁.高效有限元构造与分析[M].保定:河北大学出版社,1996. [9]DOUGLAS J.Superconvergence in the pressure in simulation of miscible displacement[J].SIAM J Anal,1985,22(5): 962-969. 作者简介:尹洪武(1963一),男,副教授,硕士。主要研究方向:数学与应用数学。 (责任编辑:朱宝昌) The Global Superconvergence of Finite Element Method for a Kind of Strongly Nonlinear Parabolic Equations YIN Hong—WU,ZHANG Bu—ying,WANG Jing (1 Department of Math and Physics,Hebei Normal University of Science&Technology, Qinhuangdao Hebei,066004;2 E&A College,ttebei Normal University of Science&Technology;China) Abstract:A kind of Strongly nonlinear parabolic equations are solved by the standard finite elements of degree P with the rectangular meshes.The global super—convergence is derived for the semi discrete scheme’S error es— timate through post processing technology,wihoutt referring to he ttraditional Ritz-Volterra projection of the SO— lution to the problem appeared in the previous studies. Key words:nonlinear parabolic equations;superclose and superconvergence;postprocessing operator (上接第42页) 作者简介:张慎好(1965一),男,硕士,教授。主要研究方向:蔬菜栽培与生理。 (责任编辑:石瑞珍) Research on the Application Effect of“Yi-guo-ling’’on Tomato ZHANG Shen—hao ,YANG Shu—zong ,WEI Ming—liang , CHEN Hai-ju ,SHAO Ya—shan ,FAN Wei—qiang (1 CoUege of Horticulture Science and Technology,Hebei Normal University of Science&Technology, Qinhuangdao Hebei,066600;2 Bureau of Agriculture and Husbandry of Zunhua,hebei; 3 Bureau of Agriculture and Husbandry of Laoting,hebei;China) Abstract:As the test material。tomato was treated with different concentrations of“Yi—guo—ling’’and diferent effects on the growth of tomato and fruit quality were analyzed.With water as the contro1.four diferent con— ccntrations of“Yi—guo—ling”were used to test the growth and development of tomato fruit quality SO that the good combined effect of concentration was selected.The results showed that the“Yi—guo-ling”could signiif— candy improve the growth rate of tomato fruit,increase fruit production,decrease its fimness rand sohble sol- ids content,and improve acid content.Wih altl the indicators,the appropriate concentration should be 1.0 mg/kg. Key words:Yi・・guo--ling;tomato;concentrations