关键词:
四阶Steklov特征值问题
协调有限元
误差估计
二网格方案
摘要:
四阶Steklov特征值问题在多个领域都有重要的应用,尤其是在需要考虑高阶微分算子和复杂边界条件的实际问题中.这些问题的解不仅涉及到数学物理的理论研究,还与实际工程应用密切相关.四阶Steklov特征值问题通常涉及复杂的几何形状、不同类型的边界条件以及非线性特性,传统的解析方法难以直接求解.在这种情况下,开发高效的数值方法来近似求解问题显得尤为重要.尤其是基于有限元法、边界元法、谱方法等数值方法,能够大大提高求解效率,使得我们能够在实际工程和物理问题中更迅速地得到有效解.Steklov特征值问题的数值解法通常需要大量的计算,特别是在高维空间中,求解高阶偏微分方程时的计算量急剧增加.对于复杂的几何形状,有限元法或边界元法等传统数值方法的计算成本也很高,因此如何设计高效的算法来减少计算量和提高求解速度是一个重要挑战.由于四阶Steklov特征值问题通常无法通过解析方法获得准确的特征值解,数值方法必须依赖离散化来求解.离散化过程中,如何合理选择网格划分、数值积分方式以及近似方式,以保证数值解的收敛性和精度,是一个重要的研究难点.
对于一些难以处理的几何形状(如不规则曲面、裂缝、孔洞等),协调有限元法可以根据问题的不同特点在不同区域选择不同的网格划分方式,避免过度加密不重要区域的网格,从而减少计算量并提高计算效率.
本文利用协调有限元法对四阶Steklov特征值问题进行了误差分析.目前,关于该问题的数值方法处理,大多数文献都集中于凸多边形区域的误差分析,对于一般多边形区域,特别是凹角区域的误差分析,尚未有相关研究.本文的研究填补了这一空白,将误差分析及数值方法拓展到凹角区域,并提供一般多边形区域的收敛性结果.在该过程中,我们利用拉普拉斯的旋转不变性,证明了‖Δ‖0,Ω=||2,Ω,这是现有文献中没有严格证明的.本文还提出了一种移位反迭代的二网格方案,该方案将细网格?上的数值特征对计算转化为在更粗网格上的计算以及在细网格?上的线性方程计算,同时仍保持最佳收敛性.我们给出严格的证明,确定了两种方法的最优收敛阶.通过数值实验,我们还给出方形、L形以及裂缝三种不同区域下的数值算例.在不同区域上以及不同网格尺寸情况下,分别利用两种不同的方法计算出求解四阶steklov特征值问题中特征值耗费的时间,对比计算时间证明了所提出的二网格方案相比使用直接求解器求解特征值问题更高效.