О численном решении начально-краевых задач для уравнения конвекции-диффузии с дробной производной Капуто и нелокальным линейным источником

Автор: Апеков Аслан Мартинович, Бештоков Мурат Хамидбиевич, Бештокова Зарьяна Владимировна, Шомахов Замир Валериевич

Журнал: Математическая физика и компьютерное моделирование @mpcm-jvolsu

Рубрика: Моделирование, информатика и управление

Статья в выпуске: 4 т.23, 2020 года.

Бесплатный доступ

Изучены первая и третья начально-краевые задачи для уравнения конвекции диффузии с дробной производной Капуто и нелокальным линейным источником интегрального вида. На равномерной сетке построены разностные схемы, аппроксимирующие эти задачи. Для решения этих задач в предположении существования регулярного решения получены априорные оценки в дифференциальной и разностной трактовках. Из полученных оценок следуют единственность и непрерывная зависимость решения от входных данных задачи, а также сходимость со скоростью, равной порядку погрешности аппроксимации. Построен алгоритм приближенного решения третьей краевой задачи, проведены численные расчеты тестовых примеров, иллюстрирующие полученные в работе теоретические результаты.

Еще

Начально-краевые задачи, априорная оценка, уравнение конвекции-диффузии, дифференциальное уравнение дробного порядка, дробная производная капуто

Короткий адрес: https://sciup.org/149131530

IDR: 149131530   |   УДК: 519.63   |   DOI: 10.15688/mpcm.jvolsu.2020.4.4

On the numerical solution of initial-boundary value problems for the convection-diffusion equation with a fractional Caputo derivative and a nonlocal linear source

In a rectangular domain the first and third initial-boundary value problems are studied for the one-dimensional with respect to the spatial variable convection-diffusion equation with a fractional Caputo derivative and a nonlocal linear source of integral form. Using the method of energy inequalities, under the assumption of the existence of a regular solution, a priori estimates are obtained in differential form, which implies the uniqueness and continuous dependence of the solution on the input data of the problem. On a uniform grid, two difference schemes are constructed that approximate the first and third initial-boundary value problems, respectively. For the solution of the difference problems, a priori estimates are obtained in the difference interpretation. The obtained estimates in difference form imply uniqueness and stability, as well as convergence at a rate equal to the order of the approximation error. An algorithm for the approximate solution of the third boundary value problem is constructed, numerical calculations of test examples are carried out, illustrating the theoretical results obtained in this work.

Еще

Список литературы О численном решении начально-краевых задач для уравнения конвекции-диффузии с дробной производной Капуто и нелокальным линейным источником

  • Алиханов, А. А. Априорные оценки решений краевых задач для уравнений дробного порядка / А. А. Алиханов // Дифференциальные уравнения. — 2010. — 46 (5). — C. 660-666.
  • Ашабоков, Б. А. Конвективные облака: численные модели и результаты моделирования в естественных условиях и при активном воздействии / Б. А. Ашабоков, A. В. Шапавалов. — Нальчик : Изд-во КБНЦ РАН, 2008. — 252 с.
  • Бештоков, М. Х. К краевым задачам для вырождающихся псевдопараболических уравнений с дробной производной Герасимова — Капуто / М. Х. Бештоков // Известия вузов. Математика. — 2018. — № 10. — C. 3-16.
  • Бештоков, М. Х. К краевым задачам для интегро-дифференциальных уравнений дробного порядка / М. Х. Бештоков, Ф. А. Эржибова // Математические труды. — 2020. — № 23 (1). — C. 16-36.
  • Самарский, А. А. Теория разностных схем / А. А. Самарский. — М. : Наука, 1983. — 616 с.
  • Тарасов, В. Е. Модели теоретической физики с интегро-дифференцированием дробного порядка / В. Е. Тарасов. — Ижевск : Изд-во Ижев. ин-та компьютер. исследований, 2011. — 568 с.
  • Численное моделирование облаков / Е. Л. Коган, И. П. Мазин, Б. Н. Сергеев, B. И. Хворостьянов. — М. : Гидрометеоиздат, 1984. — 186 с.
  • Alikhanov, A. A. A new difference scheme for the time fractional diffusion equation / A. A. Alikhanov // Journal of Computational Physics. — 2015. — № 2805. — P. 424-438.
  • Berry, E. X. An analysis of gloud drop growth by collection / E. X. Berry, R. L. Reinhardt // J. Atmos. Sci. — 1974. — № 31 (7). — P. 1825-1831. — DOI: 10.1175/1520-0469(1974)031-1814:AA0CDG-2.0.C0;2.
  • Berry, E. X. Cloud droplets growth by collection / E. X. Berry // J. Atmos. Sci. — 1967. — № 24 (6). — P. 688-701.
  • Beshtokov, M. Kh. Difference Methods for Solving Local and Nonlocal Boundary Value Problems for a Loaded Fractional Order Heat Equation. / M. Kh. Beshtokov, M. Z. Khudalov // Stability, Control and Differential Games. Lecture Notes in Control and Information Sciences — Proceeding. — Cham : Springer Nature, 2020. — P. 187-201. — DOI: 10.1007/978-3-030-42831-0.
  • Miller, K. S. An Introduction to the Fractional Calculus and Fractional Differential Equations / K. S. Miller, B. Ross. — New York : Wiley, Wiley and Sons, 1993. — 376 p.
  • Oldham, K. B. The Fractional Calculus. Theory and Applications of Differentiation and Integration to Arbitrary Order / K. B. Oldham, J. Spanier. — New York : Academic Press, 1974. — 240 p.
Еще