This study presents a novel high-order numerical method designed for solving the two-dimensional time-fractional convection-diffusion (TFCD) equation. The Caputo definition is employed to characterize the time-fractional derivative. A weak singularity at the initial time ($t=0$) is encountered in the considered problem, which is effectively managed by adopting a discretization approach for the time-fractional derivative, where Alikhanov's high-order L2-1$_\sigma$ formula is applied on a non-uniform fitted mesh, resulting in successful tackling of the singularity. A high-order two-dimensional compact operator is implemented to approximate the spatial variables. The alternating direction implicit (ADI) approach is then employed to solve the resulting system of equations by decomposing the two-dimensional problem into two separate one-dimensional problems. The theoretical analysis, encompassing both stability and convergence aspects, has been conducted comprehensively, and it has shown that method is convergent with an order $\mathcal O\left(N_t^{-\min\{3-\alpha,\theta\alpha,1+2\alpha,2+\alpha\}}+h_x^4+h_y^4\right)$, where $\alpha\in(0,1)$ represents the order of the fractional derivative, $N_t$ is the temporal discretization parameter and $h_x$ and $h_y$ represent spatial mesh widths. Moreover, the parameter $\theta$ is utilized in the construction of the fitted mesh.


翻译:本研究提出了一种求解二维时间分数阶对流扩散(TFCD)方程的新型高阶数值方法。采用Caputo定义刻画时间分数阶导数。所考虑问题在初始时刻($t=0$)存在弱奇异性,通过采用时间分数阶导数的离散化方法有效处理该奇异性:在非均匀拟合网格上应用Alikhanov高阶L2-1$_\sigma$公式,成功克服了奇异性问题。采用高阶二维紧致算子逼近空间变量,进而利用交替方向隐式(ADI)方法将二维问题分解为两个独立的一维问题进行求解。全面开展了包含稳定性与收敛性的理论分析,证明该方法具有$\mathcal O\left(N_t^{-\min\{3-\alpha,\theta\alpha,1+2\alpha,2+\alpha\}}+h_x^4+h_y^4\right)$阶收敛性,其中$\alpha\in(0,1)$表示分数阶导数阶数,$N_t$为时间离散参数,$h_x$和$h_y$分别表示空间网格宽度,参数$\theta$用于构造拟合网格。

0
下载
关闭预览

相关内容

牛津大学最新《计算代数拓扑》笔记书,107页pdf
专知会员服务
44+阅读 · 2022年2月17日
专知会员服务
24+阅读 · 2020年9月25日
【ACL2020】多模态信息抽取,365页ppt
专知会员服务
151+阅读 · 2020年7月6日
ExBert — 可视化分析Transformer学到的表示
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月16日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
利用动态深度学习预测金融时间序列基于Python
量化投资与机器学习
18+阅读 · 2018年10月30日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
Layer Normalization原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
32+阅读 · 2017年6月17日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2016年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
反制无人机:乌克兰提供的五点启示
专知会员服务
10+阅读 · 9月23日
《各指挥层级均亟需红队能力》报告
专知会员服务
9+阅读 · 9月23日
《航电任务系统框架(FAMOS)》50页报告
专知会员服务
6+阅读 · 9月22日
《对抗行动中的人工智能与自主性》智库报告
专知会员服务
12+阅读 · 9月22日
《从数据到胜利:战争中的分析优势之争》
专知会员服务
14+阅读 · 9月22日
战争不仅需要机器人:人类仍不可或缺
专知会员服务
6+阅读 · 9月21日
《描绘美国防部创新基础设施的未来蓝图》100页
专知会员服务
13+阅读 · 9月21日
相关资讯
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
利用动态深度学习预测金融时间序列基于Python
量化投资与机器学习
18+阅读 · 2018年10月30日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
Layer Normalization原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
32+阅读 · 2017年6月17日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2016年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员