分数阶扩散方程的几种数值解法

论文摘要

尽管分数阶微积分的历史几乎和整数阶的一样长,但是由于缺少相关的实际应用背景,分数阶微积分在其初期发展十分缓慢.众所周知,对于解释和模拟许多应用科学领域的动力学过程,经典微积分都是一个强有力的工具.但是,越来越多的实验和现实告诉我们,在自然界的反常动力学中有许多复杂系统,不能用经典的导数模型来描述.因此,在最近的十几年里,分数阶微积分已经被应用于几乎所有科学、工程和数学的领域中去.物理中,反常扩散或许是一种最常研究的复杂问题.我们利用分数阶导数,可以将经典的整数阶扩散与波的偏微分方程,推广到时间和空间的分数阶上去.进而再扩展到各类非线性方程并给出其初边值问题的解,是近几年来分数阶微积分应用的一个主要领域.一般来讲,这些问题大都具非常重要的实际应用背景,如在分形和多孔介质中的弥散、半导体物理、湍流及凝聚态物理等.本文主要研究一些分数阶扩散方程及其数值解法,共由四个彼此相关而又相互独立的章节构成.第一章简要介绍了分数阶微积分的历史、理论及其应用,以及文中将用到的一些基本知识,和相关数值解的现有研究成果；第二章和第三章研究的都是双边空间分数阶对流扩散方程,在这两章中我们分别给出了此类方程的几类不同有限差分法,主要有分数阶权平均法、改进型权平均法和特征有限差分法等；而在最后一章中,我们则是给出了时间分数阶扩散方程的一种高精度隐式数值解法.第一章为序言.首先了介绍分数阶微积分的历史及其发展情况,并给出了几种常用的分数阶算子定义以及它们的一些基本性质,例如：Riemann-Liouville分数阶算子,Caputo分数阶算子和Grunwald-Letnikov分数阶算子等,同时还列出了几个相关的运算性质.然后,在§1.3中,我们对Mittag-Leffler型特殊函数和它的基本性质也进行了一定的叙述,这类特殊函数主要包括单参数的Mittag-Leffler函数和两参数的广义Mittag-Leffler函数.这类特殊函数常常是很多分数阶微分方程的基本解,其它具有类似性质的特殊函数还有Wright函数和H-fox函数,等等.此外,在本章中的§1.4,我们还归纳叙述了目前为止,几类常见的分数阶微分方程的一些数值解法.例如,有限差分法,有限元法,微分变换法,Adomian区域分解法,变分迭代法,同伦摄动法,等等.同时对每种方法分别列举出了一些相关研究成果.最后,在本章的最后一节中,我们较详细的介绍了分数阶微积分在当前非线性物理复杂系统的各个领域中的应用.在接下来的章节中,我们将研究两种不同的反常扩散模型.在第二章中,主要研究1维空间分数阶对流扩散方程.我们根据移位Grunwald公式离散Riemann-Liouville分数阶导数,从而提出了方程的分数阶权平均法.通过理论研究和算例分析,可以得知以前出现过的一些相关数值算法,它们大都是此方法的某些特例.在§2.3中,我们利用圆盘定理和矩阵法证明了分数阶权平均法的稳定性,具体理论结果由定理2.1详细给出.然后,在§2.4中,我们又讨论了分数阶权平均法的一种新的改进格式,并再次给出了相关稳定性分析.最后,则是用数值例子来验证理论的正确性,同时又计算了分数阶权平均法的特例,分数阶Crank-Nicholson （FCN）法.显然,无条件稳定又拥有2阶时间精确度的FCN法更好一些.本章部分内容已经公开发表在Physics Letters A.在第三章中,关于双边空间分数阶对流扩散方程,据我们所知,目前为止,它的数值解法全都是Eulerian法.结果,这些方法都具有和2阶对流扩散方程相同的数值局限性.在本章中,结合移位Griinwald-Letnikov有限差分过程以及Lagrangian法,我们在§3.3中首次提出了一种分数阶特征有限差分法（CFDM）.此法保留了2阶对流扩散方程特征法和分数阶对流扩散方程有限差分法的所有数值优点.在§3.4中,我们证明了这种方法是无条件稳定、相容和收敛的,并且给出了本方法误差估计的最大值.在§3.5中,我们给出了一个实际算例的数值模拟,并把分数阶特征有限差分法和其它的分数阶标准差分法相比较.算例结果表明,这种分数阶新CFDM在精度和稳定性上都大大优于其它已知方法,例如显式迎风差分法和隐式迎风差分法等.并且,此法对于对流占优问题,显得尤为高效、优越.本章内容已投到Journal of Computational Physics.在第四章中,我们主要讨论的是一类时间分数阶扩散方程.反常次扩散运动是复杂系统中一个特别重要的内容,如在一些有机和无序材料中,它的运动路径被一些几何或能量因子约束着.对于反常次扩散随机游走过程的数学模型,一般扩散方程则会被Riemann-Liouville分数阶时间扩散方程所替代.分析表明,这些分数阶模型显然比经典的整数阶模型更加符合实际背景.在本章中,首先我们我们利用移位Grunwald公式来逼近时间分数阶导数,并且使用中心差分格式去逼近1阶时间导数和2阶空间导数,从而提出了此类扩散方程的一种新的隐式差分法.它是一种三层差分格式,其中第一时间层的数值解可以由全隐式格式或Crank-Nicholson格式给出,这两种格式都是无条件稳定的.接着,我们利用广义化Fourier-Von Neumann分析法,证明了这种新方法的无条件稳定性,并导出此法关于时间的2阶精确度.最后,则是用数值试验和对比法,来验证和观察本算法的性质和特征.本章内容已投到Applied Mathematics and Computation.

论文目录

• 符号
• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 基础知识
• §1.1 分数阶微积分历史简介
• §1.2 分数阶微积分的定义和性质
• §1.2.1 Riemann-Liouville分数阶导数
• §1.2.2 Caputo分数阶导数
• §1.2.3 Grunwald-Letnikov分数阶导数
• §1.3 Mittag-Leffler函数
• §1.4 分数阶微分方程的一些数值解法
• §1.5 分数阶微积分的一些应用
• §1.5.1 在反常扩散上的应用
• §1.5.2 在其它物理方面的应用
• 第二章 分数阶对流扩散方程的权平均有限差分法
• §2.1 简介
• §2.2 分数阶权平均法（FWA）
• §2.3 FWA法的稳定性和精确性分析
• §2.4 一种改进型权平均格式
• §2.5 数值模拟
• §2.5.1 算例一
• §2.5.2 算例二
• §2.6 结论
• 第三章 瞬态分数阶对流扩散方程的特征有限差分法
• §3.1 简介
• §3.2 双边分数阶对流扩散方程
• §3.3 分数阶特征有限差分法（CFDM）
• §3.4 分数阶CFDM的稳定性和误差分析
• §3.4.1 两个有用的引理
• §3.4.2 稳定性分析
• §3.4.3 收敛性分析和误差估计
• §3.5 数值试验
• §3.5.1 分数阶CFDM的性质
• §3.5.2 与分数阶隐式迎风差分法的比较
• §3.5.3 与分数阶显式迎风差分法的比较
• §3.6 结论
• 第四章 分数阶扩散方程的一种隐式有限差分法
• §4.1 简介
• §4.2 分数阶导数的离散形式
• §4.3 分数阶隐式差分法
• §4.4 稳定性和精确性分析
• §4.4.1 稳定性分析
• §4.4.2 截断误差
• §4.5 数值算例
• §4.6 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间完成论文情况
• 作者简介
• 学位论文评阅及答辩情况表