Сходимость метода конечных элементов для краевой задачи с вырождением на всей границе области

Бесплатный доступ

В статье рассматривается задача Дирихле с однородным граничным условием для эллиптического уравнения второго порядка с вырождением на всей дважды непрерывно дифференцируемой границе двумерной области Ω. Определяется обобщенное решение этой задачи, которое существует и единственно в весовом пространстве Ŵ12,α(Ω). Для решения сформулированной задачи разработан метод конечных элементов, схема которого построена на основе определения обобщенного решения исходной дифференциальной задачи в пространстве Ŵ12,α(Ω). С этой целью двумерная выпуклая область разбивается на треугольники со специальным сгущением к границе. Далее, введено пространство конечных элементов Vh ⊂ Ŵ12,α(Ω), которое содержит непрерывные функции, линейные на каждом треугольном элементе сеточной области Ωh и равные нулю на множестве Ω' \ Ωh, показана однозначная разрешимость схемы метода конечных элементов. Для обобщенного решения u из подпространства Ŵ22,α-1(Ω) пространства Ŵ12,α(Ω), используя значения в узлах триангулированной области Ωh, строится интерполянт uI∈ Vh, устанавливается факт его сходимости по норме W12,α(Ω). Главным результатом работы является доказательство сходимости приближенного решения предложенного метода к точному решению в весовом пространстве Соболева.

Еще

Краевая задача с вырождением, весовое пространство соболева, обобщенное решение, метод конечных элементов

Короткий адрес: https://sciup.org/147233201

IDR: 147233201   |   УДК: 519.632   |   DOI: 10.14529/cmse190301

Convergence of the finite element method for boundary value problem with degeneration on the whole boundary of domain

In this paper we consider the Dirichlet problem with homogeneous boundary condition for a second-order elliptic equation with degeneration on the entire twice continuously differentiable boundary of two-dimensional domain Ω. We define a generalized solution of this problem which exists and is unique in the weighted Sobolev space Ŵ1{2,α}(Ω). To solve the formulated problem a finite element method is developed, the scheme of which is constructed on the basis of the definition of a generalized solution of the original differential problem in the space Ŵ1{2,α}(Ω). For this purpose a two-dimensional convex domain is divided into triangles with special condensation to the boundary. Next we introduce a finite element space Vh ⊂ Ŵ1{2,α}(Ω) that contains continuous functions liner on each triangular element of grid region Ωh and equal to zero on the set Ω' \ Ωh, show unique solvability of the scheme of the finite element method. For the generalized solution u from the subspace Ŵ2{2,α-1}(Ω) of the space Ŵ1{2,α}(Ω), using its values in the nodes of the triangulated domain, an interpolant uI ∈ Vh is constructed, the fact of its convergence with respect to the norm W1{2,α}(Ω) is established. The main result of the work for the proposed method for solving the first boundary value problem with degeneration is the proof of the convergence of the approximate solution to the exact solution in the weighted Sobolev space.

Еще

Список литературы Сходимость метода конечных элементов для краевой задачи с вырождением на всей границе области

  • Рукавишников В.А., Рукавишникова Е.И. Метод конечных элементов для первой краевой задачи с согласованным вырождением исходных данных // Доклады Академии Наук. 1994. Т. 338, № 6. С. 731-733.
  • Assous F., Ciarlet P. Jr., Segr'e J. Numerical Solution of the Time-Dependent Maxwell Equations in Two-Dimensional Singular Domain: The Singular Complement Method // Journal of Computational Physics. 2000. Vol. 161. P. 218-249. DOI: 10.1006/jcph.2000.6499
  • Costabel M., Dauge M., Schwab C. Exponential Convergence of hp-FEM for Maxwell's Equations with Weighted Regularization in Polygonal Domains // Mathematical Models and Methods in Applied Sciences. 2005. Vol. 15, No. 4. P. 575-622. DOI: 10.1142/S0218202505000480
  • Arroyo D., Bespalov A., Heuer N. On the Finite Element Method for Elliptic Problems with Degenerate and Singular Coefficients // Mathematics of Computation. 2007. Vol. 76, No. 258. P. 509-537. DOI: 10.1090/S0025-5718-06-01910-7
  • Li H., Nistor V. Analysis of a Modified Schr¨odinger Operator in 2D: Regularity, Index, and FEM // Journal of Computational and Applied Mathematics. 2009. Vol. 224, No. 1. P. 320-338. DOI: 10.1016/j.cam.2008.05.009
  • Рукавишников В.А., Кузнецова Е.В. Схема метода конечных элементов для краевой задачи с несогласованным вырождением исходных данных // Сибирский журнал вычислительной математики. 2009. Т. 12, № 3. С. 313-324.
  • Rukavishnikov V.A., Rukavishnikova H.I. The Finite Element Method for a Boundary Value Problem with Strong Singularity // Journal of Computational and Applied Mathematics. 2010. Vol. 234, No. 9. P. 2870-2882.
  • DOI: 10.1016/j.cam.2010.01.020
  • Rukavishnikov V.A., Mosolapov A.O. New Numerical Method for Solving Time-Harmonic Maxwell Equations with Strong Singularity // Journal of Computational Physics. 2012. Vol. 231, No. 6. P. 2438-2448.
  • DOI: 10.1016/j.jcp.2011.11.031
  • Rukavishnikov V.A., Rukavishnikova H.I. On the Error Estimation of the Finite Element Method for the Boundary Value Problems with Singularity in the Lebesgue Weighted Space // Numerical Functional Analysis and Optimization. 2013. Vol. 34, No. 12. P. 1328-1347.
  • DOI: 10.1080/01630563.2013.809582
  • Rukavishnikov V.A., Rukavishnikova E.I. The Finite Element Method for Boundary Value Problems with Strong Singularity and Double Singularity // Lecture Notes in Computer Science. 2013. Vol. 8236. P. 110-121.
  • DOI: 10.1007/978-3-642-41515-9_10
  • Никольский С.М. Вариационная проблема для уравнения эллиптического типа с вырождением на границе // Труды Математического института имени В.А. Стеклова. 1979. Т. 150. С. 212-238.
  • Лизоркин П.И., Никольский С.М. Эллиптическое уравнение с вырождением. Вариационный метод // Доклады Академии Наук СССР. 1981. Т. 257, № 1. С. 42-45.
  • Лизоркин П.И., Никольский С.М. Эллиптические уравнения с вырождением. Дифференциальные свойства решений // Доклады Академии Наук СССР. 1981. Т. 257, № 2. С. 278-282.
  • Рукавишников В.A., Рукавишникова Е.И. Об изоморфном отображении весовых пространств эллиптическим оператором с вырождением на границе области // Дифференциальные уравнения. 2014. Т. 50, № 3. С. 349-355.
  • DOI: 10.1134/S037406411403008X
  • Никольский С.М. Приближение функций многих переменных и теоремы вложения. М.: Наука, 1977. 456 с.
  • Обэн Ж.-П. Приближенное решение эллиптических краевых задач, пер. с англ. М.: Мир, 1977. 383 с.
  • Сьярле Ф. Метод конечных элементов для эллиптических задач, пер. с англ. М.: Мир, 1980. 512 с
Еще