научная статья по теме СХЕМА УЛУЧШЕННОГО ПОРЯДКА ТОЧНОСТИ ДЛЯ СИНГУЛЯРНО ВОЗМУЩЕННОГО ПАРАБОЛИЧЕСКОГО УРАВНЕНИЯ РЕАКЦИИ–ДИФФУЗИИ НА ОСНОВЕ МЕТОДА ДЕКОМПОЗИЦИИ РЕШЕНИЯ Математика

Текст научной статьи на тему «СХЕМА УЛУЧШЕННОГО ПОРЯДКА ТОЧНОСТИ ДЛЯ СИНГУЛЯРНО ВОЗМУЩЕННОГО ПАРАБОЛИЧЕСКОГО УРАВНЕНИЯ РЕАКЦИИ–ДИФФУЗИИ НА ОСНОВЕ МЕТОДА ДЕКОМПОЗИЦИИ РЕШЕНИЯ»

ЖУРНАЛ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАТЕМАТИКИ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ, 2015, том 55, № 3, с. 393-416

УДК 519.633

СХЕМА УЛУЧШЕННОГО ПОРЯДКА ТОЧНОСТИ ДЛЯ СИНГУЛЯРНО ВОЗМУЩЕННОГО ПАРАБОЛИЧЕСКОГО УРАВНЕНИЯ РЕАКЦИИ-ДИФФУЗИИ НА ОСНОВЕ МЕТОДА ДЕКОМПОЗИЦИИ РЕШЕНИЯ1

© 2015 г. Г. И. Шишкин, Л. П. Шишкина

(620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 16, ИММ УрО РАН) e-mail: shishkin@imm.uran.ru; Lida@convex.ru Поступила в редакцию 31.07.2014 г.

В случае начально-краевой задачи для сингулярно возмущенного параболического уравнения реакции—диффузии разрабатывается техника построения разностных схем улучшенного порядка точности, сходящихся s-равномерно в равномерной норме (s — возмущающий параметр при старшей производной, s е (0, 1]). Приводится схема метода декомпозиции решения, в которой сеточные подзадачи для регулярной и сингулярной компонент решения рассматриваются на равномерных сетках. С использованием техники Ричардсона строится схема метода декомпозиции решения улучшенного порядка точности, решение которой сходится s-равномерно в равномерной норме со скоростью 0(N-41n4N + N-2), где N + 1 и N0 + 1 — число узлов равномерных сеток по x и t соответственно. Разработана также новая численно-аналитическая схема Ричардсона метода декомпозиции решения. Развиваемая в работе техника позволяет строить улучшенные разностные схемы на основе метода декомпозиции решения и метода Ричардсона при числе вложенных сеток больше двух, сходящиеся s-равномерно с порядком, близким к шестому по x и третьим по t, а также с более высокими порядками. Библ. 24.

Ключевые слова: сингулярно возмущенная начально-краевая задача, параболическое уравнение реакции—диффузии, возмущающий параметр е, метод декомпозиции решения, численно-аналитическая схема, улучшенная разностная схема Ричардсона, Е-равномерная сходимость, равномерная норма.

Б01: 10.7868/80044466915030175

1. ВВЕДЕНИЕ

В последнее время для сингулярно возмущенных задач на основе схем на кусочно-равномерных сетках с использованием техники Ричардсона (технику Ричардсона для регулярных задач см. в [1]) построены Е-равномерно сходящиеся схемы повышенного порядка точности (см., например, [2]—[8], а также [9, гл. 10] и библиографию там). Однако использование неравномерных сеток вызывает затруднения при построении схем высокого порядка точности. Так, метод Ричардсона в случае параболического уравнения реакции—диффузии не позволяет строить схемы на кусочно-равномерных сетках с порядком точности по х выше третьего (см. [7]), а в случае эллиптического уравнения конвекции—диффузии — с порядком точности выше второго (см. [8]).

В [10] разработан новый подход к построению специальных схем на основе техники асимптотических конструкций — метод декомпозиции сеточного решения. Главное в этом подходе — использование классических аппроксимаций задач для регулярной и сингулярной компонент решения на равномерных сетках. В отличие от известных подходов к построению б-равномерных сходящихся разностных схем — метода подгонки (приводящего к схемам Ильина/Аллена-Сау-свелла, см. [11], [12]) и метода специальных сеток, сгущающихся в погранслое (использующего классические схемы на сетках Бахвалова и/или Шишкина, см. [13]—[15]), в новом подходе сеточные подзадачи решаются на соответствующих равномерных сетках, причем коэффициенты сеточных уравнений не зависят от явного вида сингулярной компоненты решения. В [10] для зада-

1) Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (код проекта 13-01-00618).

чи Дирихле для сингулярно возмущенного обыкновенного дифференциального уравнения реакции—диффузии с использованием техники декомпозиции сеточного решения построена схема метода декомпозиции решения, сходящаяся 6-равномерно в равномерной норме со скоростью ©(^21п2^, где N + 1 — число узлов в используемых сетках. В этой же работе — с использованием техники Ричардсона — впервые построена улучшенная схема метода декомпозиции решения, сходящаяся 6-равномерно в равномерной норме со скоростью 0(^41п4^.

В [16] для задачи Дирихле для одномерного сингулярно возмущенного параболического уравнения реакции—диффузии построена схема метода декомпозиции решения, сходящаяся 6-равномерно в равномерной норме со скоростью ©^—21п^ + Щ1), где N + 1 и N0 + 1 — число узлов в пространственной и временной сетках соответственно. В [17] для такой же задачи, как в [16], с использованием техники Ричардсона построена также улучшенная схема метода декомпозиции

решения, сходящаяся со скоростью ©^—41п^ + Щ2).

В ряде задач (например в задаче об обтекании тел потоком вязкой жидкости при больших числах Рейнольдса, см. [18]) аппроксимация производных решений также важна, как и самих решений; производная первого порядка по нормали к обтекаемой поверхности определяет сопротивление обтекаемому потоку, производная второго порядка — отрыв потока от обтекаемой поверхности. В [19] для такой же задачи, как в [10], построена улучшенная схема метода декомпозиции решения, аппроксимирующая 6-равномерно решение дифференциальной задачи и ее нормированные производные до второго порядка: 6кйк/йХи(х), к = 1, 2, сходящаяся со скоростью ©(^^п4^, где N + 1 — число узлов в используемых сетках. Следует отметить, что техника Ричардсона повышения порядка скорости сходимости, использованная в [10], [17], [19], не позволяет строить схемы с порядком скорости сходимости выше четвертого по х и выше второго по t.

В настоящей работе для начально-краевой задачи для сингулярно возмущенного параболического уравнения реакции—диффузии развивается техника из [17] на основе метода декомпозиции решения и метода экстраполяции Ричардсона для построения 6-равномерно сходящихся разностных схем повышенного порядка точности. Разрабатывается также новая численно-аналитическая схема Ричардсона метода декомпозиции решения, в которой главная часть регулярной компоненты решения начально-краевой задачи выписывается в явном виде. В отличие от [17] разрабатываемые здесь схемы Ричардсона на основе схем метода декомпозиции решения позволяют строить улучшенные разностные схемы при числе вложенных сеток больше двух, сходящиеся 6-равномерно с порядком, близким к шестому по х и третьим по t, а также с более высокими порядками.

О содержании работы

Постановка краевой задачи для сингулярно возмущенного параболического уравнения реакции—диффузии и цель исследования сформулированы в разд. 2. В разд. 3 приводится стандартная

разностная схема на равномерной сетке, сходящаяся со скоростью ©(б-2^2 + Щ1 ). В разд. 4 дается метод экстраполяции Ричардсона, используемый для повышения точности решений стандартной разностной схемы на равномерной сетке; такая схема при = о(б) сходится со скоростью ©(б-4^4 + Щ-). В разд. 5 рассмотрена декомпозиция решения начально-краевой задачи — простейшая декомпозиция решения, используемая при выводе априорных оценок решений и их производных в разд. 10; эта декомпозиция решения используется в разд. 6 при построении разностной схемы — схемы метода декомпозиции решения, сходящейся 6-равномерно со скоростью

©(^2 1п^ + Щ1). В этом же разд. 5 приводится вариант несколько расширенной декомпозиции решения, который используется в разд. 8 при построении схемы Ричардсона метода декомпозиции решения повышенного порядка точности, сходящейся 6-равномерно со скоростью

©(^^п^ + Щ-). Новые численно-аналитические схемы — схема метода декомпозиции решения и схема Ричардсона метода декомпозиции решения строятся в разд. 7 и 9 соответственно.

2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

2.1. На множестве в с границей Б

в = в и Б, в = Б х(0, Т], Б = (0, й), (2.1)

рассмотрим начально-краевую задачу для сингулярно возмущенного параболического уравнения реакции-диффузии

Ьи(х, г) = /(х, г), (х, г) е в, (2.2а)

и(х, г) = ф(х, г), (х, г) е Б, (2.2б)

где

ь = б2ь2 + Ь1, ц = —с(х, г) -р(х, г)£, ь2 = а(х, г) —2,

дг дх

функции а(х, 1), с(х, 1),р(х, 1),/(х, 1) на О, а также граничная функция ф(х, 1) на замыканиях гладких частей границы Б предполагаются достаточно гладкими, причем

а0 < а(х, г)< а°, р{](х, г)<р0, С0 < с(х, г)< с0, (х, г) е в, а0, С0,р{] > 0; (23)

|Дх, г)\ < М, (х, г) е в, |ф(х, г)\ < М, (х, г) е Б;

параметр б принимает произвольные значения из полуинтервала (0, 1]. (Через М (через т) обозначаем достаточно большие (малые) положительные постоянные, не зависящие от величины параметра 6. В случае сеточных задач эти постоянные не зависят и от шаблонов разностных схем.) При малых значениях параметра 6 в окрестности множества Г появляется пограничный слой.

Пусть

Б = Б1 и Б0, Б1 = Г х (0, Т], (2.4)

где Б1 и Б0 — боковая и нижняя части границы, Б1 = и/Б/, Б/ = Г/ х (0, 7],/ = 1, 2, Г1 и Г2 — левый и правый концы отрезка Б; Б0 = Б0. Полагаем Бс = БЬ п Б0.

На множестве Бс на функцию ф(х, 1), помимо условия непрерывности, накладываются дополнительные условия согласования, обеспечивающие достаточную гладкость решения начально-краевой задачи.

2.2. Техника построения схем повышенного порядка точности, рассмотренная в [17], не позволяет использовать метод Ричардсона при числе вложенных сеток больше двух. Это обстоятельство существенно ограничивает разработку 6-равномерно сходящихся численных методов высокого порядка точности, в частности, не позволяет для начально-краевой задачи (2.2), (2.1) строить схемы, сходящиеся с порядком выше четвертого по х и выше второго по 1.

Наша цель — для начально-краевой задачи (2.2), (2.1) на основе техники декомпозиции сеточного решения построить 6-равномерно сходящуюся (в равномерной норме) разностную схему, использующую сеточные аппроксимации регулярной и сингулярной компонент на соответствующих равномерных сетках. Используя эту схему метода декомпозиции сеточного решения и технику экстраполяции Ричардсона, построить схему повышенного порядка точности — схему, сходящуюся 6-равномерно в равномерной норме с четвертым порядком точности (с точностью до логарифмического сомножителя) по х и вторым по 1. Требуется, чтобы техника Ричардсона, в отличие от техники, изложенной в [17], допускала применение системы вложенных сеток более двух.

3. СТАНДАРТНАЯ РАЗНОСТНАЯ СХЕМА НА РАВНОМЕРНОЙ СЕТК

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком