曲柄尼科尔森稳定性估计的范数选择

计算科学 稳定 抛物线pde
2021-12-14 18:08:16

我有一个可变系数 pde 的形式

ut=c(t,x)uxx,t[0,T],x[0,1]
有初始数据u0=u(0,x)c(x,t)C([0,T]×[0,1]). 我对扩散部分使用三点离散化。我想通过证明稳定性和一致性来进行错误估计。做泰勒展开,我可以表现出一致性。但是,我很困惑如何选择规范?我在书中看到作者选择离散L2通过使用离散能量方法,稳定性随之而来。

离散方程的第一个问题:如果我选择另一个离散范数,我应该选择哪个(我的意思是Lp规范),哪个更容易或更难?到目前为止,我得到的估计是||e||2=O(h2), 在哪里e:=uh(T)u(T). 但是,一旦我证明了这些规范的稳定性,其他类似的估计就会以类似的方式出现。请提供一些提示如何选择另一个范数以及在其他离散中证明这样一个方程的稳定性的“工具”是什么Lp规范。

第二个问题:选择是否受到原始 pde 的稳定性估计的影响?也就是说,一旦我建立了对初始数据的连续依赖,(它遵循最大原则,我在L) 并假设我已经设法证明它在L2([0,T]×[0,1])(在连续设置中通过相同的能量方法),确实暗示它在L1要么L? 这与事实有什么关系LL2L1?

2个回答

对于您的情况,L2规范是自然的。如果你有这样的等式

ρ(x)ut(a(x)ux)x=f
那么自然规范将是uLweighted2=ρuL2作为的模拟L2规范,和|u|Hweighted1=auxL2作为能量的模拟(H1) 规范。如果您将等式乘以,您自然会得到这些u要么ux,分别在域上进行积分。如果这两个系数从下到上逐点有界,那么这些范数当然等价于L2H1规范,分别。因此,如果您在加权规范中有结果,那么您会立即在原始规范中获得相同的结果。

使用这种技术,显示收敛Lweighted2,那么你立即收敛于L2以及,因此在L1.

我似乎认为在任何其他方面表现出收敛没有多大意义Lp规范p都不是1,2,. 似乎没有人关心其他价值观p我也找不到关心的理由。

一般来说,适定性(结合了存在性、独特性和稳定性)只存在于您展示它的空间中。小空间里不可能有解,大空间里不可能有多个解。解决方案对数据的持续依赖还取决于您获取数据和解决方案的范数(因此也取决于范数空间)。

正如 Wolfgang Bangerth 已经指出的那样,存在一个自然范数(能量范数),其中稳定性适用于连续问题,因此适用于任何一致的近似。如果(!)您的数据足够平滑,您当然可以改进它以获得更高规范的稳定性。

如果您专注于特定的离散化,那么您是正确的,只要您在一个规范中具有稳定性,有限维度上的规范等价就可以使您在任何规范中都具有稳定性。但是(这是关键点),等价常数取决于您的离散化,并且通常作为离散化参数爆炸h趋向于 0。不用说,这使得等价论点无法证明误差估计为h趋于0...

我还应该指出L时间误差估计是逐点估计uh(t)在任何t[0,T],不仅仅是时间步长un=u(tn). 这使得这些估计比(比方说)更难获得L2估计。

最后,我认为你的问题是错误的:这不是“让我们展示收敛,我应该选择什么规范?” 但是“我需要在那个规范中收敛,我该如何展示它?” (如果有任何规范可以,请使用能量规范。)