高维Klein-Gordon方程的能量守恒算法及其最优误差估计

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Klein-Gordon(KG)方程作为相对论量子力学和量子场论中用于描述自旋为零的粒子的最基本方程式之一,具有无可取代的实际背景和物理意义,本文运用有限差分法和有限元法对高维KG方程进行了数值研究,并建立了数值格式的最优误差估计.首先,本文提出了一个有限差分格式用于求解高维非线性KG方程,证明该格式在离散意义下保持总能量守恒,这与原问题所具有的守恒性质是一致的.在误差分析中,除标准的能量方法以外,还引入了抬升技巧和对非线性项的光滑截断技巧.已有文献中对该方程的数值算法的分析通常对网格比有一定的限制,而在本文中,在对网格比没有任何约束的前提下,我们建立了所提格式的最优误差估计,其收敛阶数为O h2+τ2),其中h和τ分别是空间和时间方向的网格步长.数值实验进一步验证了我们的理论分析.其次,文中提出了一个三层Galerkin有限元方法.借鉴了文献中常用的Li-Sun误差分离方法,通过引入时间离散系统并对误差进行分析,建立了格式的最优误差估计,收敛阶数为O(hr+1+τ2),其中h和τ分别是空间和时间方向的网格步长,且该格式对网格比没有任何约束.数值算例表明,我们的理论分析是可行的.
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