2024年3月12日發(fā)(作者:乞巧古詩(shī)的詩(shī)意)

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第24卷第1期
湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)
vd.24No.1
2OO2年3月
Natural?。樱洌澹颍悖濉。剩铮澹睿洹。埃妫兀椋幔颍簦幔睿眨桑欤椋觯迳逃?jì)
Mar.2O皿
基于三角形剖分的
最小二乘混合元超收斂性研究
楊菊娥, 陳艷萍
(湘潭大學(xué)計(jì)算與應(yīng)用數(shù)學(xué)研究所,湖南湘潭4IIio5)
【摘要】i,-t ̄了二階橢圓問(wèn)題的最小二粟混合元方法及其超收斂性,采用一致三角形剖分、分片一次多項(xiàng)式空問(wèn)對(duì)未知
函敷作有限元逼近.而對(duì)其通量且 采用最低階的Ravisa't一11哪峭元逼近.通過(guò)投影算子和輔助算子的拄術(shù),得捌了精度為
0(^擾)的超收斂結(jié)果.
關(guān)鍵詞:最小二乘混臺(tái)有限元.超收斂性.一致三角形剖分.插值算子
中圈分類號(hào):位14 立t標(biāo)識(shí)碼:A 文章墑號(hào):1(300一舢l2002Io1一∞∞-05
Superconvergence?。铮妗。蹋澹幔螅簟樱瘢酰幔颍澹蟆。停椋澹洹。疲椋睿椋簦濉。牛欤澹恚澹睿簦蟆?/p>
for?。牛欤欤椋穑簦椋恪。校颍铮猓欤澹恚蟆。铮睢。裕颍椋幔睿纾酰欤幔簦椋铮睢?/p>
YANGn一 t?。悖龋牛巍。伲幔枰环?/p>
ll ̄dtutef?。褨牛穑酢。都 。澹睿洌迯棧欤椤。蓿桑伞〖矗哐。?Xl Unlve ̄ty-)ciI噼?。桑矗保桑保埃怠。茫瑁欤颍臁?/p>
【Abstract】In崎paper 唧∞?。桑澹拢桑欤桑欤椋蟆。猓簦瑁澹欤澹幔螅簟。螅瘢酰幔桑伞 荆濉。澹欤澹恚澹恚澹簦瑁铮洌妫铮颉?/p>
the鴕c0I.d?。铮欤洌澹颉。洌欤椋小∵螅铮睢∪纾纾酰煊模伞。裕瑁澹螅濉。遄匝{besed?。铮睢。鸾校澹恪。铮穑澹颍幔簦铮颍蟆。幔睿洹。幔睢。螅酰椋欤椋螅颍?/p>
畸e 冊(cè)?。鳎瑁铮恚鑴h 如舭larll?。澹欤澹恚澹「滓唬浴。校迦ぃ伞。颍澹纭尽“肌『鳌?/p>
a玎gLd 。鳴are?。酰螅澹洹。鳎濉。悖幔睢。铮猓簦钊眨蹋欤穑濉捱啤∧浚澹颉。鬻歉讗u凹0f?。猓铮簦琛。簦瑁濉。椋颍颍伞×耍螅铮保铮钣。校伞蕖》酰簟。幔颍洹。簦瑁濉?/p>
lfux叩pI啦iml?。穑鳎檠簦瑁濉蓿悖欤。埃欤蕖。?/p>
K?。祝希妫海簦瑁澹欤澹幔螅簟螅瘢酰幔睿洌澹洌妫椋睿椋簦濉。澹欤澹恚澹睿簦获Zpe嗍verger啪;loWe嚏older; 且r?。颍幔颍澹妫椋澹蟆。埃妫酰睿铮颍怼。?/p>
ng山dm;interpolation?。穑蜻汀 蕖?/p>
AMS sII?。濉。嵩健 荆憬恤埃海叮担危常啊?/p>
0弓l言
我們就二階橢圓型方程的Dirlchlet邊界問(wèn)題來(lái)討論.
fL 14
,=
0 ∈an
n (
…
0 1)
其中n?。谩∈怯薪玳_(kāi)子集,v是邊界如的外法向.fE (n),a(x)∈cJ(x)并且存在正常數(shù)a.和
a 滿足對(duì)所有 ∈五
口_≤o( )≤口2 (0 2)
設(shè)p=一a(x)gradⅡ,p=(P.。p:),得到與(O?。保┑葍r(jià)的一階方程組:
rp+0( )gradu=0 ∈n
{di
【u:0
vp一,=0 ∈力
∈an
(0.3)
70年代P.A.Raviart和J.M?。裕瑁铮恚幔筇岢隽嘶旌嫌邢拊椒ā。剩模铮酰纾瑁蟆。剩颍。遥拧。牛鳎椋睿纾郏悺?/p>
艷萍 等人把混合元方法_用于可混溶驅(qū)動(dòng)問(wèn)題的求解,通過(guò)解的正則性處理,成功地得到了二階橢圓
00710 ̄);2.高等學(xué)校教育部骨干教師基金資助項(xiàng)目(。G—llO一10530—10∞);3國(guó)家
頊?zhǔn)垦芯可?/p>
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第l期 楊菊娥等 基于三角形剖分的最小二乘混臺(tái)元超收斂性研究 9
問(wèn)題混合元方法的超收斂性,提高了數(shù)值解的精度.但混合有限元空間要求滿足匹配條件(LBB),導(dǎo)出
的剛度矩陣非對(duì)稱正定,這種線性方程組的求解是相當(dāng)困難的,大型科學(xué)計(jì)算問(wèn)題更是如此.
為此,對(duì)該問(wèn)題,本文首先導(dǎo)出混合元最小二乘方法的等價(jià)弱形式,然后用該方法來(lái)求解二階橢
圓微分方程.該法的優(yōu)點(diǎn):1)混合元空間不受匹配條件的影響;2)導(dǎo)出方程的系數(shù)矩陣對(duì)稱正定,容易
求解.A.I.Pehlivanov等人在文 用最Jb--乘混合元法求解二階橢圓問(wèn)題,后來(lái),陳艷萍教授用最Jb ̄-
乘混合元法求解可混溶驅(qū)動(dòng)問(wèn)題 和退化的橢圓問(wèn)題 ,得到了最優(yōu)階誤差估計(jì).在此基礎(chǔ)上,本文
采用一致三角形剖分,利用一些適當(dāng)?shù)耐队八阕樱贸隽硕A橢圓問(wèn)題最小二乘混合元方法的超收斂
性結(jié)果.
1最tJ ̄'-乘混合有限元方法
定義
:
{”∈/-/‘(1"1):?。剑埃剩幔睿臁。ǎ保保?/p>
Q=t q∈(£ (1"1))??;div口∈r(1"1)}?。ǎ保玻?/p>
具有范數(shù)
I l.?。海ā。欤欤海。桑薄。纾颍幔洹保欤臁#玻。薄。ǎ保常?/p>
ll?。瘛。欤伞。恚海ǎ保臁。瘛。睿欤臁。洌椋觥。瘛。桑臁?、?。。ǎ保矗?/p>
定義問(wèn)題(0.1)的泛函
,( ,g):(div?。瘛妫洌椋觥。褚弧?。_n+(q+口(?。纾颍幔洹?,口(?。。瘢纾颍幔洹。?。.口?。ǎ保担?/p>
則問(wèn)題(0.3)的解Ⅱ,p等價(jià)于求,(”,q)的最小值,即u,p滿足
,
p)_?。拧。ā。。ǎ保叮?/p>
定義算子口(u,p; ,q)為
口(u,p; ,q):(div?。?,dlv?。瘢埃睿ǎ穑冢ā。纾颍幔洹。酰谝弧。ā。瘢纾颍幔洹保恚睢。ǎ保罚?/p>
由變分原理知,(1.6)的弱形式即:找Ⅱ∈V,p∈Q,滿足
a(u,p; ,?。剑ǎ妫洌椋觥。瘢。帧 省?,早∈Q?。ǎ保福?/p>
引理1對(duì) ∈ ,q∈p,則存在一個(gè)正常數(shù)c>0,成立
c( + q?。妗、瑁芸冢ā?,口;”,q)?。ǎ保梗?/p>
證明過(guò)程見(jiàn)[1,2,12].引進(jìn)有限元子空間為
=
{ ∈c0(1"1):?。欤伞剩校保ā。郑恕省 海恚海埃伞。ǎ保保埃?/p>
P?。ā∈谴螖?shù)為1的完全多項(xiàng)式 向量函數(shù)場(chǎng)則取為最低階的R 一 0rn8s( :0)空間
口^(K):{ ∈Q:q^『 ∈((Po(K))?。埃椤。校埃ǎ耍帧。恕省。伞。ǎ保保保?/p>
這里我們要求剖分 為一致三角形剖分,即任意兩個(gè)相鄰的三角形都可以形成一個(gè)平行四邊形.
K是 中任意的三角形,記?。槠渥罱咏坏膬蓷l外法向量,若 , 是兩相鄰三角形,且?。ā?/p>
:1,2)是公共邊的外法向量,則記Ⅳ,=KI U?。ǎ椋剑?,2).從而n就被分解為平行四邊形M和一些
邊界三角形 (i=1,2).所有
.
的集合記為 ,所有邊界三角形 的集合則記為aq
,.
引理2設(shè)N=K1?。铡。耍簦∈莾蓚€(gè)三角形.Ⅱ^為最低階的tla ̄-t— ∞投影 ],對(duì)所有的
q∈[伊。(N)]?。痢#ǎ危剩校?,v)成立
q一Ⅱ^q)dxdy=0?。ǎ保保玻?/p>
現(xiàn)在,對(duì) 和口^,(1.8)的離散形式即:找 ∈ , ∈口^滿足
口( .??; ,?。剑ǎ?,div?。。帧 省。 省。ǎ保保常?/p>
根據(jù)L“一Milg ̄定理知.最小二乘變分問(wèn)題(1.8)及其離散形式(1.13)有唯一解
而且(1.13)減去
(1.8)得到誤差方程滿足正交性質(zhì)
口(u—u^,p—??;?。。剑啊。帧 省。 士冢蕖?/p>
(1.14)
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10 湘潭太學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)?。玻啊弈辍?/p>
2超收斂估計(jì)
引理3
(所有
是n的一致三角形剖分,假定n被分解成平行四邊形 和邊界三角形 ,那么對(duì)
的集合),存在某一個(gè)正常數(shù)c,滿足
(p一Ⅱ ,q?。?。. ≤ch l?。欤稹。欤伞。玻。妗。桑欤薄#。挚冢蕖省?/p>
引理4 是n的一致三角形剖分,則
(2??。?/p>
(div(p一Ⅱ ),div )口_n=0?。觥?/p>
引理5
(所有
∈Q^?。ǎ玻玻?/p>
引理3.1和引理3.2的證明可利用分部積分N[3Uoe ̄定理1.4以及引理1.25—1.29.
是n的一致三角形剖分,假定n被分解成平行四邊形 和邊界三角形 ,那么對(duì)
的集合),那么存在某一個(gè)常數(shù)c>0滿足
(p一Ⅱ ,grad?。埽悖琛。伞海小。欤祚Y.日I1?。桑薄。薄。睢。帧?/p>
知,在所有平行四邊形 的集合 上有
∈?。ǎ玻常?/p>
證明對(duì)任意 ∈ ,gradv^是常數(shù)(見(jiàn)2.io),顯然 滿足引理2中的N的條件,從而由(1.12)
(p一Ⅱ ,grad?。埃。剑啊?/p>
對(duì)于邊界三角形 的集合 ,利用Cauchy—Schwarz'不等式和逼近性質(zhì)可得
(2.4)
l?。桑保薄?,n(2?5)
(2 6)
((p一1-I ̄),grad?。?。. ≤c?。伞海幸虎颉。欤?。.?。欤伞。欤伞А 堋。欤臁。稹。桑薄?/p>
定義 ={ ∈n I?。辍。佟剩幔睿海洌椋螅簦ǎ伲埽瑁齽t由Sobolev空間的基本理論得
lI?。小。保幔簦欤埽臁。欤小。欤臁。?,0a≤ch?。桑薄。小。啊。恚睢?/p>
(2.6)代人(2.5)有
((p一Ⅱ ),gradv ̄,) ≤ch?。桑伞。稹。欤伞。睢。桑伞。桑臁。?,n?。ǎ玻罚?/p>
引理得證. ◇
定理3.1設(shè) 為n上的一致三角形剖分,( ,?。┦菃?wèn)題(0.1)的解,則對(duì)u∈曠(n),P∈
(H2(n) 有如下超收斂估計(jì):
lI 一P?。酢。桑臁。埃睿桑伞。穑抟虎颉。桑伞。ㄇ。埽悖枥玻ǎ保臁。小。欤沈罚。。欤伞。小。桑臁。睿欤伞。酢。桑?,.n)(2.8)
證明引進(jìn)投影算子
(4( )grad(口一 口),grad )o.n=0 對(duì)所有 ∈?。ǎ玻梗?/p>
I1口一s^口I?。欤埃保睿琛】谝唬螅蕖。桑薄住埽悖琛。桑薄。啤。欤伞。睢。ǎ玻保埃?/p>
【?。欤蟆。酢校耄酢。欤桑桑睢埽悖琛。桑伞。酢。睢?/p>
利用引理1和正交性質(zhì)(1.14)可得
(2.11)
l?。眨琛。酢。臁海穑抟虎颉。桑臁。ā。睿埽悖铮ā∫唬校蓿酰∫虎颉。弧∫唬校瑁?,P 一Ⅱ^p)=
c。(u— ,P一Ⅱ ; 一P^u,P 一Ⅱ )=
c(div(p一Ⅱ ),div( 一Ⅱ?。睿睿ǎ鹨虎颉。校睿ā。?。(p^一Ⅱ?。#恚?/p>
(grad(u—?。酰?,Ph一Ⅱ?。瑁ǎ鹨虎颉。纾颍幔洌ā∫患矗祝?/p>
5
(口( )grad(u— u),grad( 一P^u))?。健疲蕖?/p>
由引理4知
(2?。保玻?/p>
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第i期 楊菊娥等 基于三角形剖分的最小二乘混合元超收斂性研究
,】=(div(p一Ⅱ^P),div( 一Ⅱ =0
對(duì)任意的 ∈ ,取n一‘(?。┰谄叫兴倪呅巍〉钠骄怠?,則l?。睢。ā。┮弧。臁埽茫?于是,
由引理3和逼近性質(zhì)可得
Ml=(p一Ⅱ ,a-I(?。ā∫虎颉。?。.?。健?/p>
[(p一Ⅱ ,(。一 (?。┮弧。ā。睢?。.?。ǎ鹨虎颉。。ā、颉 #。荨堋?/p>
∈ ‘ ?!?/p>
∑[Ch 一n 。. 一Ⅱ 。. l—aAf't?。ǎ鹨虎?,, 一Ⅱ?。!。T≤
∈門J?。獭。?/p>
ch 一Ⅱ 。.?。ǎ?13)
以^√ 為新基定義坐標(biāo)變換F,其中 ,^是剖分三角形單元接近正交的兩條外法向量,則F~=
( ,五).記e.,e 為 的單位向量,那么
=
(p一Ⅱ,.。( )一 ( 一Ⅱ )) =(F( 一Ⅱ ), 。( )‘。(p一Ⅱ 氣=
∑J (F( 一Ⅱ?。。啤幔ā。?。(p—n )d?。洌剿C “?。ǎ玻保矗?/p>
其中
一
Ⅱ 出 一Ⅱ?。?/p>
取邊界三角形的內(nèi)邊的中點(diǎn)為M,則由(o.2)式和矩陣F 的規(guī)范性知:在 上
d(?。澹裕埔弧。澹ā。剑铮ā。濉。埔弧。濉。ā。模ǎ蓿。ǎ玻保担?/p>
于是
l 11 l≤∑l(e?。啤。睿ā。濉。ā。省。?/p>
‘^
TF(p 一?!。ǎ鹨虎?,)?。濉。洌洌。欤?/p>
∑c
'l
h l?。臁。?/p>
^
?。疲ā∫唬睢。ǎ鹨虎?,)?。澹洌洌。臁堋?/p>
l?。洌澹簦ǎ疲欤欤欤ǎ澹裕啤?。(?。。∫虎颉?。. 一Ⅱ 氣
ldet(F)l h?。幸虎颉 А。幸虎颉?。.?。ǎ?16)
再一次利用Cauehy—Sehwam不等式和有限元逼近理論可得
l,】I≤c?。臁。洌澹簦ǎ疲臁。伞。梢虎?,II?。铮。ǎ保伞。濉。啤。幔ā。濉。桑桑保ǎ蕖。桑伞。稹。桑伞。睿蓿桑伞。稹。桑伞。?/p>
(2.17)
因此
≤ch?。伞。桑小∫虎颍蓿小。桑伞祝ǎ蕖。桑伞。小。桑伞。桑伞。小。桑伞。?/p>
(2.18)
L≤ch?。桑伞。小∫唬保?,II。.n(^ II?。小。桑桑睿琛。伞。桑小。桑海睿桑伞。小。桑伞。睿?/p>
(2.19)
=一
(u— ,div(p 一Ⅱ ))。.n≤
c?。桑伞。酢。酢。?。.?。伞。小∫虎颍桑伞 埽悖琛。桑伞。酢。桑桑海睢。桑伞。小∫虎颉。桑伞。妫瑁睢?/p>
(2.加)
L=(p一Ⅱ ,grad( 一P^u))。_n≤ch II P II?。睢。桑伞。酢∫弧。酢。桑伞。撸睢?/p>
(2.21)
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12 湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)?。玻铮铮舱?/p>
厶=(A?。纾颍幔洌ǎ螅蓿取校蔻颍纾颍幔洌ā∫唬校蓿龋铮睢堋?/p>
c RⅡ一P^Ⅱll1.n 0 一P^?。欤欤桑睢叮悖瑁病。桑薄。取。欤臁。常欤睢∫唬校蓿酢。欤欤桑睢。ǎ玻郑?/p>
這里我們利用了Cauchy—Sehv ̄tz不等式和一些逼近性質(zhì),引理5,以及算子s^的性質(zhì).聯(lián)立(2.11,(2.
18—2.22)以及So ̄lev空間的嵌入定理,有
I 一P^ I Itm+II P^一II,p?。桑伞。恪。睿堋?/p>
ch3n(II p
.
n+h?!。臁。欤稹。桑伞浚睿??!。桑伞。稹。伞。桑。?。 I?。桑取。桑伞。睿琛。桑伞。酢。桑伞。常睿。ǎ玻玻常?/p>
綜上所述,定理得證. ◇
參考文獻(xiàn)
n] 叫h刪^1,c. ̄-ic?。疲∏洌遥模镜亍∫荒龋籼兀颍澹浯!∩娇诔鞍选袄惭校湟徊啊◆薄埃荩Γ汀。省。拊剑保梗梗矗?/p>
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[6]JD叫 蚰Jr.s?。穑濉蓿怼√铩埃撸海椋睿欤欤恪。濉。恚椋睿欤欤恪。睿欤毙。埃妗。濉。洹。伞弈募矗欤郏省浚蓿省。蓿簦熳裕保保梗福?,盈:9曉一969.
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r啪e?。酢D,2 .盈(3):卵2—278(in?。帷。?/p>
nO]0唧 P.}lI哪?。伲?,9嘲zH.L刪一嬸-日r瞪“?。丁。肷剑睢。舨浮D一?。纭狻。洌臁。恪∑鰟h∞【盯.?。汀。椋睿椋澹幔保保埃保玻场?/p>
(1);87—94.?。?/p>
[I1]J脅 翻J|.R婦rI胄J E.G10bd枷瞳蛔far?。肴缰蓿恚洌伞。妫铮蚰模洹。洌欤椋穑欤?。郵刪呷[J】_M曲 叩,1985.44(1田):39
—
52.
[12]0哪Y?。校螅_H 啪 婦dIi 。Prddd憎?。臁蕖∫贿竽_II血?。妫欤恚欤澹洌淠模簦郏剩荩桑睿簦澹省。停澹洌恚洌拢ā蕖!。?/p>
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