一类非线性双曲型方程扩展混合有限元方法的误差估计
Error Estimates for Expanded Mixed Finite Element Methods for Nonlinear Hyperbolic Equation
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收稿日期: 2020-02-21
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Received: 2020-02-21
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In this paper, expanded mixed finite element method is developed for a class of nonlinear hyperbolic equation. A priori error estimate for the space discrete scheme is discussed in L∞(L2) norm. Centered finite differences are used to advance in time, a fully discrete scheme is proposed. Further, a priori error estimate for the fully discrete scheme is established. Finally, a numerical example is presented to confirm the theoretical results.
Keywords:
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王克彦, 王奇生.
Wang Keyan, Wang Qisheng.
1 引言
其中
20世纪90年代, 陈掌星[6]提出了扩展混合有限元方法数值求解二阶椭圆型问题, 之后, 他进一步利用该方法分析了线性和拟线性椭圆型问题[7-8]. 与此同时, Arbogast等人[9]针对线性椭圆型问题, 提出了基于最低阶RTN元的扩展混合有限元方法. 与标准混合有限元方法相比, 扩展混合有限元方法能够同时高精度逼近未知函数、未知函数的梯度和通量. 由于该方法无需对扩散系数求逆, 因此更适应于求解扩散项较小与渗透项较低的微分方程. 在过去的几十年里, 该方法得到了广泛的应用和关注. Woodward-Dawson[10]利用扩展混合有限元方法分析了非线性抛物型问题, 导出了半离散和全离散解的
2 扩展混合有限元格式的建立及相关性质
在本文中,
定义空间
对
为了理论分析的需要, 引入
考虑标准混合有限元空间的Fortin投影
上述投影具有如下逼近性质[14]
其中
此外, 令
(I)
(II)
(III)
令
问题(2.9) 的扩展混合变分问题为: 求
定理 2.1 问题(2.9) 与(2.10) 是等价的.
证 容易得到问题(2.9) 的解是弱形式(2.10) 的解. 因此, 我们只需证明弱形式(2.10) 的解是问题(2.9) 的解. 取
从而有
取
即(2.9b) 式和(2.9d) 式成立. 同理, 在(2.10c) 式中, 取
3 半离散格式下的误差估计
问题(2.10) 关于时间连续的扩展混合有限元逼近问题为: 求
为简单起见, 时空范数
范数
定理 3.1 令
其中
证 使用(2.1) 式和投影算子
令
将(3.13) 式两端关于时间
在(3.12), (3.14) 和(3.15) 式中分别取
对上式两端关于
注意
由Cauchy不等式和假设条件(I)–(III), 则(3.17) 式的右端各项可估计为
将上述两式进一步利用Young和
结合(3.17)–(3.20) 式可得
在(3.14) 式中, 取
由(3.22) 式可以推出
注意到
上式利用Gronwall引理, 得
对(3.24) 式中的
最后, 利用三角不等式, 结合(2.6)、(2.7) 和(3.25)式, 可推出(3.8) 式成立.
4 全离散格式下的误差估计
对时间变量应用差分离散化, 将区间
下面的关系式容易得到
问题(2.10) 的全离散逼近格式为: 求
及
对
定理 4.1 令
证 利用(2.1) 式和投影算子
记
由(4.1)式, 方程(4.16) 和(4.17) 可写成
取
此外, 在(4.19) 式中, 取
结合(4.20) 和(4.21)式, 可得
将(4.22) 式两边同乘以
其中
注意到
我们也注意到
上述两式相加有
利用(4.25) 式可得
从而有
接下来, 我们对(4.23) 式中的右端各项分别进行估计, 首先, 关于第一项
及使用(2.6)式, (4.26) 式和Young不等式, 可得
关于第二项
同样, 关于第三项
(4.16) 式可写成
在(4.30) 式中, 取
使用离散的Sobolev嵌入不等式[15], 有
其中
应用Gronwall不等式, 得
最后, 使用三角不等式, 结合(2.6), (2.7) 和(4.33)式, 推出(4.11) 式成立.
5 数值例子
本节我们给出一个数值例子来验证理论分析结果. 在数值计算中, 使用简单的迭代法来处理(4.2)–(4.10) 式中的非线性项, 即用前一次迭代得到的解
考虑以下二阶非线性双曲型方程
其中
考虑
表 1 扩展混合有限元解的误差估计及收敛阶
h | Rate | Rate | Rate | |||
1/4 | 3.0894e-2 | - | 9.2725e-1 | - | 9.5987e-1 | - |
1/8 | 8.2781e-3 | 1.90 | 2.4845e-1 | 1.90 | 2.5898e-1 | 1.89 |
1/16 | 2.1875e-3 | 1.92 | 6.6111e-2 | 1.91 | 6.9392e-2 | 1.90 |
1/32 | 5.8207e-4 | 1.91 | 1.7591e-2 | 1.91 | 1.8593e-2 | 1.90 |
1/64 | 1.5489e-4 | 1.91 | 4.6810e-3 | 1.91 | 4.9475e-3 | 1.91 |
图 1
参考文献
Error estimates for finite element methods for second order hyperbolic equations
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On the application of mixed finite element methods to the wave equation
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,DOI:10.1002/mma.4831 [本文引用: 1]
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,DOI:10.1016/0377-0427(94)90046-9 [本文引用: 1]
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,DOI:10.1051/m2an/1998320405011 [本文引用: 1]
Mixed finite elements for elliptic problems with tensor coefficients as cell-centered finite differences
,DOI:10.1137/S0036142994262585 [本文引用: 1]
Analysis of expanded mixed finite element methods for a nonlinear parabolic equation modelling flow into variably saturated porous media
,DOI:10.1137/S0036142996311040 [本文引用: 1]
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,DOI:10.1016/S0377-0427(00)00440-4 [本文引用: 1]
A new expanded mixed method for parabolic integro-differential equations
,
Expanded mixed FEM with lowest order RT elements for nonlinear and nonlocal parabolic problems
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