一个二阶椭圆混合问题的三棱柱元
A Triangular Prism Finite Element for the Second-Order Elliptic Mixed Problem
Received: 2019-03-12
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二阶椭圆混合问题的有限元方法已有很多研究,包括三角形元、矩形元、四面体元和立方体元.但对三棱柱元的研究却很少,三棱柱元兼顾三角形和矩形的优点,更加适合柱形区域,尤其是截面复杂的柱形区域.该文对二阶椭圆混合问题构造一个低阶的三棱柱元,证明了它的适定性和收敛性,给出了最优的误差估计.
关键词:
There are many researches on the finite element method for second-order elliptic mixed problem, including triangular element, rectangular element, tetrahedral element and cubic element. However, there are few researches on the triangular prism element. The triangular prism element has the advantages of triangular and rectangular elements, and it is more suitable for cylindrical region, especially for the cylindrical region with complex cross-section. In this paper, a lower-order conforming triangular prism element is constructed for the second-order elliptic mixed problem. Its well-posedness and convergence are proved, and the optimal error estimate is given too.
Keywords:
本文引用格式
赵中建, 陈绍春.
Zhao Zhongjian, Chen Shaochun.
1 引言
2 二阶椭圆混合变分问题
设
考虑二阶椭圆混合变分问题[9]:求
其中
引理1[9] 因为混合变分问题(2.1)满足如下条件:
(1)
其中
(2)
则混合变分问题(2.1)存在唯一解.
将区域
对于协调元空间,则混合问题(2.1)的离散问题为:求
引理2[9] 如果离散问题(2.2)满足如下条件:
(1)
其中
(2)
则离散问题(2.2)存在唯一解,并且下面的误差估计成立
3 三棱柱元
设
设参考元
记三棱柱的5个面分别为
其中
下面证明单元构造的适定性.
引理3 自由度能唯一确定形函数空间
证 只需证明,当
由于
设
通过计算,可以得到
即
意味着
即可得
故
从参考元
一般单元
四边形
从参考元到一般单元的变换记为
其中
从参考元到一般单元,标量函数记为
对于向量函数,采用Piola变换,由
相对于参考元,一般单元
其中
引理4 有限元
证 在仿射变换下,显然
设
反之也正确.
因此
下面考虑自由度.
假设
其中
显然
由于
则有
即
同理可得,对
进而可以推断出
因此,任意有限元
4 误差分析
由单元构造,相应的有限元空间
在空间
又显然
那么
因此得出
定义插值算子
由引理4可知,在
由文献[1]中定理2.5知
因此
同时
整体插值算子
根据(4.1)和(4.2)式,借助Piola尺度变换,即可推断出
引理5
证 利用插值条件和Green公式,可以得到
由(4.3)式, (4.4)式和Fortin准则[9],引理容易证明.
定理1 假设
其中
证 已知
取
其中
因为
由于
所以
其中
因此
定理证明完毕.
参考文献
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