Конечно-разностный метод решения нелокальной краевой задачи для нагруженного уравнения теплопроводности дробного порядка

Автор: Бештоков Мурат Хамидбиевич, Бештокова Зарьяна Владимировна, Худалов Марат Захарович

Журнал: Владикавказский математический журнал @vmj-ru

Статья в выпуске: 4 т.22, 2020 года.

Бесплатный доступ

В прямоугольной области исследуется нелокальная краевая задача для одномерного по пространственной переменной нагруженного уравнения теплопроводности дробного порядка с сосредоточенной на границе теплоемкостью, выступающего в качестве математической модели, возникающего, в частности, в практике регулирования солевого режима почв с фрактальной организацией, когда расслоение верхнего слоя достигается сливом слоя воды с поверхности, затопленного на некоторое время участка. Основным методом исследования является метод энергетических неравенств. При предположении существования регулярного решения дифференциальной задачи получена априорная оценка, откуда следуют единственность и непрерывная зависимость решения от входных данных задачи. На равномерной сетке в соответствие дифференциальной задаче ставится разностная схема второго порядка аппроксимации по параметрам сетки. Для решения разностной задачи получена априорная оценка в разностной форме, из чего следуют единственность и устойчивость решения по правой части и начальным данным. В силу линейности рассматриваемой задачи полученное неравенство позволяет утверждать сходимость приближенного решения к точному (в предположении существования последнего в классе достаточно гладких функций) со скоростью, равной порядку погрешности аппроксимации. Проведены численные эксперименты, иллюстрирующие полученные теоретические результаты.

Еще

Уравнение теплопроводности, дробная производная капуто, сосредоточенная теплоемкость, разностные схемы, устойчивость, сходимость

Короткий адрес: https://sciup.org/143172464

IDR: 143172464   |   УДК: 519.63   |   DOI: 10.46698/p2286-5792-9411-x

Finite-difference method for solving of a nonlocal boundary value problem for a loaded thermal conductivity equation of the fractional order

We study a nonlocal boundary value problem in a rectangular area for a one-dimensional in a spatial variable of the loaded heat fractional conductivity equation with a heat capacity concentrated at the boundary. The problem is considered as a mathematical model, arising, in particular, in the practice of regulating the salt regime of soils with a fractal organization, when the lamination of the upper layer is achieved by drain layer of the water from the surface of an area flooded for some time. The main research method is the method of energy inequalities. An a priori estimate is obtained by the assumption of the existence of a regular solution to the differential problem, which implies the uniqueness and continuous dependence of the solution from the input data of the problem. A difference scheme of the second order of approximation by the grid parameters is put on a uniform grid by correspondence with the differential problem. Under the assumptions of the existence of a regular solution to the differential problem, an a priori estimate is obtained, which implies the uniqueness and continuous dependence of the solution on the right side and the initial data. By virtue of the linearity of the problem under consideration, the received inequality allows us to assert the convergence of the approximate solution to the exact one (assuming that the latter exists in the class of sufficiently smooth functions) with a rate equal to the order of the approximation error. The numerical experiments are carried out to illustrate the recieved theoretical results.

Еще

Список литературы Конечно-разностный метод решения нелокальной краевой задачи для нагруженного уравнения теплопроводности дробного порядка

  • Самарский А. А. Теория разностных схем. М.: Наука, 1983. 616 с.
  • Тихонов А. Н., Самарский А. А. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1977. 735 с.
  • Самарский А. А. Об одной задаче распространения тепла: Избр. тр. А. А. Самарского. М.: МАКС Пресс, 2003. 531 с.
  • Нерпин С. В., Чудновский А. Ф. Энерго- и массообмен в системе растение-почва-воздух. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 358 с.
  • Нигматуллин P. P. Особенности релаксации системы с "остаточной" памятью // Физика твердого тела. 1985. Т. 27, № 5. C. 1583-1585.
  • Тарасов В. Е. Модели теоретической физики с интегро-дифференцированием дробного порядка, М. Ижевск: Ижев. ин-т компьютер. исслед., 2011. 568 с.
  • Нахушев А. М. Дробное исчисление и его применение. М.: Физматлит. 2003. 272 с.
  • Учайкин В. В. Метод дробных производных. Ульяновск: Изд-во "Артишок", 2008. 512 с.
  • Mandelbrot B. B. The Fractal Geometry of Nature. N.Y.: W. H. Freeman and Company, 1982. 460 p.
  • Бегли Р. Л., Торвик П. Дж. Дифференциальное исчисление, основанное на производных дробного порядка новый подход к расчету конструкций с вязкоупругим демпфированием // Аэрокосмическая техника. 1984. Т. 2, № 2. С. 84-93.
  • Алиханов А. А. Априорные оценки решений краевых задач для уравнений дробного порядка // Диф. уравнения. 2010. Т. 46, № 5. C. 658 664.
  • Alikhanov A. A. A new difference scheme for the time fractional diffusion equation // J. Comput. Phys. 2015. Vol. 280. P. 424-438.
  • DOI: 10.1016/j.jcp.2014.09.031
  • Бештоков М. Х. К краевым задачам для вырождающихся псевдопараболических уравнений с дробной производной Герасимова Капуто // Изв. вузов. Математика. 2018. № 10. С. 3-16.
  • Бештоков М. Х. Краевые задачи для псевдопараболического уравнения с дробной производной Капуто // Диф. уравнения. 2019. Т. 55, № 7. С. 919-928.
  • DOI: 10.1134/S0374064119070021
  • Бештоков М. Х., Водахова В. А. Нелокальные краевые задачи для уравнения конвекции-диффузии дробного порядка // Вестн. Удмурт. ун-та. Математика. Механика. Компьютер. науки. 2019. Т. 29, № 4. С. 459-482.
  • DOI: 10.20537/vm190401
  • Бештоков М. Х., Эржибова Ф. А. К краевым задачам для интегро-дифференциальных уравнений дробного порядка // Мат. тр. 2020. Т. 23, № 1. С. 16-36.
  • DOI: 10.33048/mattrudy.2020.23.102
  • Beshtokov M. Kh., Khudalov M. Z. Difference methods of the solution of local and non-local boundary value problems for loaded equation of thermal conductivity of fractional order // Stability, Control and Differential Games. 2020. P. 187-201. (Lect. Notes Control Inform. Sci. Proc.).
  • DOI: 10.1007/978-3-030-42831-0_17
  • Худалов М. З. Нелокальная краевая задача для нагруженного уравнения параболического типа // Владикавк. мат. журн. 2002. Т. 4, № 4. С. 59-64.
  • Алиханов А. А., Березгов А. М., Шхануков-Лафишев М. Х. Краевые задачи для некоторых классов нагруженных дифференциальных уравнений и разностные методы их численной реализации // Журн. вычисл. матем. и мат. физики. 2008. Т. 48, № 9. С. 1619-1628.
Еще