Parabolikus feladatok dinamikus peremfeltétel mellett Kovács Balázs és Christian Lubich
University of Tübingen SFB 1173
BME Alkalmazott Analízis Szeminárium 2016. november 10., Budapest
Kovács B. (Tübingen)
Dynamic boundary conditions
1 / 43
Kivonat
Néhány egyszer¶ példa Variációs formalizmus és további példák Térbeli diszkretizáció poligonális tartámányok esetén Sima tartományok Id®diszkretizációk Numerikus kísérletek
Kovács B. (Tübingen)
Dynamic boundary conditions
2 / 43
Egyszer¶ parabolikus feladatok dinamikus peremfeltétellel
Kovács B. (Tübingen)
Dynamic boundary conditions
3 / 43
H®vezetési egyenlet dinamikus peremfeltétellel
H®vezetési egyenlet Wentzell-féle peremfeltételek mellett:
(
∂t u = ∆u ∂t u = −u − ∂ν u
Ω ⊂ Rd
korlátos tartomány;
Γ = ∂Ω
peremmel a felület;
∂ν u
normális derivált
Kovács B. (Tübingen)
Ω-ban Γ-n,
Γ-n;
Dynamic boundary conditions
4 / 43
Felülettartomány diúziós egyenlet
Tekintsük egy felületi diúziót és a tartománybeli diúziót csatoló feladatot:
ahol
∆Γ
(
∂t u = ∆u ∂t u = ∆Γ u − ∂ν u
Ω-ban Γ-n,
a LaplaceBeltrami operátor.
Kovács B. (Tübingen)
Dynamic boundary conditions
5 / 43
Variációs formalizmus és néhány további példa
Kovács B. (Tübingen)
Dynamic boundary conditions
6 / 43
Absztrakt variációs formalizmus autonóm eset Tekintsük a lineáris parabolikus feladatok szokásos absztrakt felírását: legyen
V
és
H
Hilbert-tér,
k·k
és
|·|
normákkal, továbbá a
V
⊂H
beágyazás legyen s¶r¶ és folytonos. Gelfand-hármas Jelölje
(·, ·)
Legyen az
a skalárszorzatot
H -n.
a(·, ·) folytonos szimmetrikus bilineáris forma, amely teljesíti a
Gårding-egyenl®tlenséget:
a(v , v ) ≥ αkv k2 − c |v |2
∀v ∈ V
(α > 0, c ∈ R).
ld. [Thomée], [Lubich és Ostermann (1994)], [Simon L. (2014)], stb.
Kovács B. (Tübingen)
Dynamic boundary conditions
7 / 43
Absztrakt variációs formalizmus autonóm eset Ekkor az absztrakt parabolikus feladat az alábbi alakban írható fel
(
(u˙ (t ), v ) + a(u (t ), v ) = (f (t ), v )
u (0) = u0 .
Tekinthet® egy
(0 < t ≤ T )
H -gradiens áramlásnak, azaz (u˙ , v ) = −E 0 (u )v
az
∀v ∈ V
E (v ) = 12 a(v , v )
v
Ekkor teljesül a következ®
|u (t )|2 + α
Z t 0
∈V
v
∈ V,
energiafunkcionál mellett.
a priori energia becslés:
ku (s )k2 ds ≤ e 2ct |u0 |2 +
1
Z t
α
0
kf (s )k2∗ ds .
[Daturay és Lions (1992)] Kovács B. (Tübingen)
Dynamic boundary conditions
8 / 43
Klasszikus PDE-k A h®vezetési egyenlet homogén Dirichlet peremfeltétellel
Legyen
V
= H01 (Ω)
és
H = L2 (Ω), a bilineáris formák pedig a(u , v ) =
Z
(u , v ) =
Z
Ω
Ω
∇u · ∇v dx ,
uv dx .
A fenti gradiens áramlás alapján
(
energia funkcionál:
Kovács B. (Tübingen)
∂t u = ∆u u=0
E (v ) =
1 2
Ω-ban Γ-n,
k∇v k2L2 (Ω) .
Dynamic boundary conditions
9 / 43
Klasszikus PDE-k A h®vezetési egyenlet homogén Dirichlet peremfeltétellel
Legyen
V
= H01 (Ω)
és
H = L2 (Ω), a bilineáris formák pedig a(u , v ) =
Z
(u , v ) =
Z
Ω
Ω
∇u · ∇v dx ,
uv dx .
A fenti gradiens áramlás alapján
(
energia funkcionál:
Kovács B. (Tübingen)
∂t u = ∆u u=0
E (v ) =
1 2
Ω-ban Γ-n,
k∇v k2L2 (Ω) .
Dynamic boundary conditions
9 / 43
Klasszikus PDE-k A h®vezetési egyenlet homogén Neumann peremfeltétellel
Legyen
V
= H˙ 1 (Ω)
és
H = L2 (Ω), a bilineáris formák pedig a(u , v ) = (u , v ) =
Z ZΩ Ω
∇u · ∇v dx ,
uv dx .
A fenti gradiens áramlás alapján
(
energia funkcionál:
Kovács B. (Tübingen)
∂t u = ∆u ∂ν u = 0
E (v ) =
1 2
Ω-ban Γ-n,
k∇v k2L2 (Ω) .
Dynamic boundary conditions
9 / 43
Hogyan illenek a fenti feladatok az absztrakt formalizmusba? I.
H®vezetési egyenlet dinamikus peremfeltétellel
V = {v ∈ H 1 (Ω) | γ v L2 (Ω) ⊕ L2 (Γ)-val. Legyen
∈ H 1 (Γ)},
H
pedig izomorkus
Bilineáris formák:
a(u , v ) = (u , v ) =
Z ZΩ Ω
Z
∇u · ∇v + κ (γ u )(γ v ) + β Γ Z uv + µ (γ u )(γ v )
Z Γ
∇Γ u · ∇ Γ v ,
Γ
κ ∈ R, β ≥ 0
Kovács B. (Tübingen)
Dynamic boundary conditions
és
µ > 0.
10 / 43
Hogyan illenek a fenti feladatok az absztrakt formalizmusba? II.
A gradiens áramlás alapján:
(
∂t u = ∆u
Ω-ban
µ∂t u = β∆Γ u − κu − ∂ν u energia funkcionál:
Kovács B. (Tübingen)
E (v ) =
Γ-n,
v k2L (Ω) + 12 κ kγ v k2L (Γ) + 12 β k∇Γ v k2L (Γ) .
1 2 k∇
2
Dynamic boundary conditions
2
2
11 / 43
Mit®l lesz dinamikus egy peremfeltétlel? Klasszikus h®vezetési egyenlet
Hilbert-terek:
V
= H01 (Ω)
és
H = L2 (Ω)
Bilineáris formák:
a(u , v ) = (u , v ) =
Z ZΩ Ω
∇u · ∇ v
uv
Energia funkcionálok:
E (v ) =
v k2L (Ω) ˙ , v ) = −E 0 (u )v , szerint: Gradiens áramlás, (u (
Kovács B. (Tübingen)
1 2 k∇
.
2
∂t u = ∆u 0 = u Dynamic boundary conditions
Ω-ban Γ-n, 12 / 43
Mit®l lesz dinamikus egy peremfeltétlel? Klasszikus h®vezetési egyenlet dinamikus peremfeltétellel
Hilbert-terek:
V
= {v ∈ H 1 (Ω) | γ v ∈ H 1 (Γ)}
és
H = L2 (Ω) ⊕ L2 (Γ)
Bilineáris formák:
Z Z ∇u · ∇v + κ (γ u )(γ v ) + β ∇Γ u · ∇Γ v Γ Γ Z ZΩ (κ ∈ R, β ≥ 0, µ > 0), (u , v ) = uv + µ (γ u )(γ v )
a(u , v ) =
Z
Γ
Ω
Energia funkcionálok:
v k2L (Ω) + 12 κ kγ v k2L (Γ) + 21 β k∇Γ v k2L (Γ) . ˙ , v ) = −E 0 (u )v , szerint: Gradiens áramlás, (u E (v ) =
(
1 2 k∇
2
2
∂t u = ∆u
µ∂t u = β∆Γ u − κu − ∂ν u Kovács B. (Tübingen)
Dynamic boundary conditions
2
Ω-ban Γ-n, 12 / 43
Lineáris nem-autonóm rendszerek I. Legyen
V
és
H
mint korábban, ekvivalens id®függ® normákkal:
| · |2t = m(t ; ·, ·).
Legyen továbbá az
k · kt
és
a bilineáris forma is id®függ®, a(t ; ·, ·).
Szükség van továbbá plusz (természetes) korlátossági feltételekre:
m , a,
∂m ∂t
és
∂a ∂t
id®ben korlátos.
[Dziuk, Lubich és Mansour (2012)] Minden tulajdonság (norma ekvivalenciák, Gårding, korlátosság, stb.) id®ben egyenletesen teljesül. Absztrakt nem-autonóm PDE:
m(t ; u˙ (t ), v ) + a(t ; u (t ), v ) = m(t ; f (t ), v ) u (0) = u0 . Kovács B. (Tübingen)
Dynamic boundary conditions
∀v ∈ V
(0 < t ≤ T )
13 / 43
Lineáris nem-autonóm rendszerek II.
Például, h®vezetési egyenlet nem-autonóm dinamikus peremfeltétellel:
(
∂t u = ∆u
µ(x , t )∂t u (x , t ) = −κ(x , t )u (x , t ) + ∇Γ · β(x , t )∇Γ u (x , t ) − ∂ν u (x , t )
Kovács B. (Tübingen)
Dynamic boundary conditions
14 / 43
Nemlineáris feladatok
Szemilineáris feladatok szintén hasonlóan kezelhet®ek:
(u˙ (t ), v ) + a(u (t ), v ) = (f (u (t )), v )
u (0) = u0 ,
ahol
f :V
→H
∀v ∈ V
(0 < t ≤ T )
egy kell®en sima függvény.
Kovács B. (Tübingen)
Dynamic boundary conditions
15 / 43
Felületi reakciódiúzió egyenlet csatolása a tartománybeli diúzióhoz
Egy tipikus példa:
(
∂t u = ∆u
Ω-ban
µ ∂t u = β ∆Γ u + f (u ) − ∂ν u ahol
f
:R→R
C 2 függvény (f
Kovács B. (Tübingen)
és
Γ-n = ∂Ω
f 0 lokálisan Lipschitz).
Dynamic boundary conditions
16 / 43
AllenCahn egyenlet dinamikus peremfeltétellel Legyenek
W , WΓ : R → R adott függvények (tipikusan valamilyen W (u ) = (u 2 − 1)2 ). Ekkor az AllenCahn egyenlet
potenciál, pl.
∂t u = ∆u − W 0 (u )
Ω-ban
dinamikus peremfeltétellel:
µ ∂t u = β ∆Γ u − WΓ0 (u ) − ∂ν u
Γ-n.
ún. AllenCahn/AllenCahn csatolás
Sok zikai cikk.
[Gal (2008); Liero (2013); Colli és Fukao (2015); . . . ]
Kovács B. (Tübingen)
Dynamic boundary conditions
17 / 43
CahnHilliard egyenlet dinamikus peremfeltételekkel Egy jól ismert mintázatképz®dési modell: Tekintsük a CahnHilliard egyenletet
∂t u = ∆ w
w = ∆ u − W 0 (u )
Ω-ban,
Allen-Cahn típusú dinamikus peremfeltétellel:
µ ∂t u = β ∆Γ u − WΓ0 (u ) − ∂ν u ∂ν w =
0
Γ-n.
ún. Cahn-Hilliard/Allen-Cahn csatolás Komplikált alapterek
V
és
H.
[Cherls, Petcu és Pierre (2010)] [Kenzler et. al. (2011); Gal (2008); Goldstein, Miranville és Schimperna (2011); . . . ] Lehetséges Cahn-Hilliard/Cahn-Hilliard csatolás is. (Még bonyolultabb alapterekkel.) Kovács B. (Tübingen)
Dynamic boundary conditions
18 / 43
Térbeli szemidiszkretizáció (
∂t u = ∆u
µ∂t u = β∆Γ u − κu − ∂ν u ahol
κ ∈ R, β ≥ 0
Kovács B. (Tübingen)
és
Ω-ban Γ-n,
µ > 0.
Dynamic boundary conditions
19 / 43
Végeselem módszer lineáris bázisfüggvények Keressük
uh : [0, T ] → Vh
szemidiszkrét megoldást úgy, hogy
(u˙ h (t ), vh ) + a(uh (t ), vh ) = (f (t ), vh ) (uh (0), vh ) = (u0 , vh )
ahol
ϕ1 , ϕ2 , . . . , ϕN
a
Vh ⊂ V
∀ vh ∈ Vh ∀ vh ∈ Vh .
(0 < t ≤ T )
tér bázisfüggvényei.
Ekvivalens közdi rendszer (u(
t ) = (ui (t ))):
˙ (t ) + Au(t ) = b(t ),
Mu
az alábbi tömeg és merevségi mátrixszal:
mij
= (ϕj , ϕi ),
Kovács B. (Tübingen)
aij
= a(ϕj , ϕi )
és
Dynamic boundary conditions
bi (t ) = (f (t ), ϕi ).
20 / 43
El®étel Els®rend¶ hibabecslések poliédereken I. Kulcs a szemidiszkrét energia becslés (nem csak poliéderen!):
|uh (t )| + α 2
Z t 0
kuh (s )k
2
s≤e
d
2ct
|uh (0)| + 2
1
Z t
α
0
kf (s )k2∗ ds .
a
Továbbá a Ritz projekció ( -ortogonális projekció)
a(Rh u , vh ) = a(u , vh )
∀vh ∈ Vh
(κ > 0)
Teljesíti az alábbi hibabecslést
ku − Rh u k2 ≤ Ch2 ku k2H 2 (Ω) + βkγ u k2Hpw 2 (Γ)
Kovács B. (Tübingen)
Dynamic boundary conditions
21 / 43
El®étel Els®rend¶ hibabecslések poliédereken II. Szemidiszkrét hibabecslés:
|u (t ) − uh (t )| + 2
Bizonyítás:
Z t 0
ku (t ) − uh (t )k2 dt ≤ Ch2 .
Ld. [V. Thomée]: Bontsuk fel a hibát
uh − u = (uh − Rh u ) + (Rh u − u ) alakban. El®bbire energia becslés, utóbbira a fenti Ritz projekció hibabecslés. [...]
Kovács B. (Tübingen)
Dynamic boundary conditions
22 / 43
Sima felületek
Kovács B. (Tübingen)
Dynamic boundary conditions
23 / 43
Lift operátor Sima felületek esetében elkerülhetetlen a felület és a tartomány approximációja, és így extra óvatosság is szükségeltetik, ld.
[Dziuk, Elliott,
Ranner, ... (1988)].
Vh * V p
x
Γh
Γ
Fontos(!): Új interpolációs becslések: tartomány felület
[Bernardi (1989), Elliott és Ranner (2013)],
[Dziuk (1988)]
Egyéb geometrikus hibák megfelel® becslése. Kovács B. (Tübingen)
Dynamic boundary conditions
24 / 43
Diszkrét bilineáris formák Z
Z Z ∇uh · ∇vh + κ (γh uh )(γh vh ) + β ∇Γh uh · ∇Γh vh Ωh Γh Γh Z Z mh (uh , vh ) = uh vh + µ (γh uh )(γh vh ),
ah (uh , vh ) =
Ωh
Γh
Geometriai hibák becslése: tetsz®leges
|a(vhl , whl ) − ah (vh , wh )| ≤ |m(vhl , whl ) − mh (vh , wh )| ≤
vh , wh ∈ Vh
esetén
Chk∇vhl kL (Bhl ) k∇whl kL (Bhl ) + Ch2 kvhl kkwhl k, Chkvhl kL (Bhl ) kwhl kL (Bhl ) + Ch2 |vhl ||whl |. 2
2
2
2
Fontos becslés [Elliott és Ranner (2013)]:
kv kL2 (B l ) ≤ Ch1/2 kv kH 1 (Ω) h
Kovács B. (Tübingen)
(∀v ∈ H 1 (Ω)).
Dynamic boundary conditions
(1)
25 / 43
Diszkrét bilineáris formák Z
Z Z ∇uh · ∇vh + κ (γh uh )(γh vh ) + β ∇Γh uh · ∇Γh vh Ωh Γh Γh Z Z mh (uh , vh ) = uh vh + µ (γh uh )(γh vh ),
ah (uh , vh ) =
Ωh
Γh
Geometriai hibák becslése: tetsz®leges
|a(vhl , whl ) − ah (vh , wh )| ≤ |m(vhl , whl ) − mh (vh , wh )| ≤
vh , wh ∈ Vh
esetén
Chk∇vhl kL (Bhl ) k∇whl kL (Bhl ) + Ch2 kvhl kkwhl k, Chkvhl kL (Bhl ) kwhl kL (Bhl ) + Ch2 |vhl ||whl |. 2
2
2
2
Fontos becslés [Elliott és Ranner (2013)]:
kv kL2 (B l ) ≤ Ch1/2 kv kH 1 (Ω) h
Kovács B. (Tübingen)
(∀v ∈ H 1 (Ω)).
Dynamic boundary conditions
(1)
25 / 43
Diszkrét bilineáris formák Z
Z Z ∇uh · ∇vh + κ (γh uh )(γh vh ) + β ∇Γh uh · ∇Γh vh Ωh Γh Γh Z Z mh (uh , vh ) = uh vh + µ (γh uh )(γh vh ),
ah (uh , vh ) =
Ωh
Γh
Geometriai hibák becslése: tetsz®leges
|a(vhl , whl ) − ah (vh , wh )| ≤ |m(vhl , whl ) − mh (vh , wh )| ≤
vh , wh ∈ Vh
esetén
Chk∇vhl kL (Bhl ) k∇whl kL (Bhl ) + Ch2 kvhl kkwhl k, Chkvhl kL (Bhl ) kwhl kL (Bhl ) + Ch2 |vhl ||whl |. 2
2
2
2
Fontos becslés [Elliott és Ranner (2013)]:
kv kL2 (B l ) ≤ Ch1/2 kv kH 1 (Ω) h
Kovács B. (Tübingen)
(∀v ∈ H 1 (Ω)).
Dynamic boundary conditions
(1)
25 / 43
Ritz leképezés sima tartományok esetén Deniáljuk a Ritz leképezést
Rh : V
→ Vhl
ah (Reh u , vh ) = a(u , vhl ) ekkor, legyen
Rh u := (Reh u )l
a következ® módon:
∀vh ∈ Vh
∈ Vhl .
Nincs Galjorkin ortogonalitás! Nem projekció, csak leképezés!
Ritz leképezés hibabecslése Els®rend¶ becslés:
ku − Rh u
Másodrend¶ becslés:
Kovács B. (Tübingen)
|.|
k2
≤ Ch
2
2 2 ku kH 2 (Ω) + βkγ u kH 2 (Γ) ;
normában, AubinNitsche trükk.
Dynamic boundary conditions
26 / 43
Konvergencia becslések Legyen
Ω ⊂ Rd
d
egy sima tartomány (
≤ 3),
továbbá legyen
u a feladat
megfelel®en sima megoldása. Ekkor a szemidiszkrét megoldás lineáris bázisfüggvények esetén teljesíti a következ® els®rend¶ hibabecslést:
|uh (t ) − u (t )| + 2
Z t 0
kuh (s ) − u (s ))k2 ds ≤ C1 h2 ,
Továbbá az alábbi másodrend¶ hibabecslés is teljesül:
kuh (t ) − u (t )k2L2 (Ω) + µkγ(uh (t ) − u (t ))k2H −θ (Γ) ≤ C2 h4 , ahol
θ = 1/2,
ha
β=0
Kovács B. (Tübingen)
és
θ = 0,
ha
β>0
.
Dynamic boundary conditions
27 / 43
Általános PDE-k
Hasonló eredmények igazak szemilineáris problémák (lokálisan Lipschitz) nem-autonóm feladatok (gyelem(!):
lumped mass
végeselem módszer (
d dt
←−
jó trükk (?!),
Rh (t )u (t )
6= Rh (t )u˙ (t )),
exponenciális integrátorok),
esetén is.
Kovács B. (Tübingen)
Dynamic boundary conditions
28 / 43
Egy jó trükk I. 0 Legyen f és f lokálisan Lipschitz. A szemilineáris feladat hibabecslésében szükség van a nemlineáris tag becslésére, ehhez pedig egy
kuh (·, t )kL∞ (Ω) ≤ 2r
t∗ ≤ T
t∗ = T
esetén is).
u
típusú becslésre ( -ról ez feltehet® Legyen tehát
t ∗ ∈ [0, T ] maximális úgy, hogy a fenti teljesül!
Igazoljuk el®ször a hibabecslést 0
|uh (t ) − u (t )| + 2
1 2
Z t 0
≤ t ≤ t∗
esetén, azaz
kuh (s ) − u (s )k2 ds ≤ C 0 e CL(2r )t h4 ,
Ekkor már csak azt kéne megmutatnunk, hogy
t∗ = T
0
≤ t ≤ t ∗.
(kell®en kis
h>0
esetén). Kovács B. (Tübingen)
Dynamic boundary conditions
29 / 43
Egy jó trükk I. 0 Legyen f és f lokálisan Lipschitz. A szemilineáris feladat hibabecslésében szükség van a nemlineáris tag becslésére, ehhez pedig egy
kuh (·, t )kL∞ (Ω) ≤ 2r
t∗ ≤ T
t∗ = T
esetén is).
u
típusú becslésre ( -ról ez feltehet® Legyen tehát
t ∗ ∈ [0, T ] maximális úgy, hogy a fenti teljesül!
Igazoljuk el®ször a hibabecslést 0
|uh (t ) − u (t )| + 2
1 2
Z t 0
≤ t ≤ t∗
esetén, azaz
kuh (s ) − u (s )k2 ds ≤ C 0 e CL(2r )t h4 ,
Ekkor már csak azt kéne megmutatnunk, hogy
t∗ = T
0
≤ t ≤ t ∗.
(kell®en kis
h>0
esetén). Kovács B. (Tübingen)
Dynamic boundary conditions
29 / 43
Egy jó trükk I. 0 Legyen f és f lokálisan Lipschitz. A szemilineáris feladat hibabecslésében szükség van a nemlineáris tag becslésére, ehhez pedig egy
kuh (·, t )kL∞ (Ω) ≤ 2r
t∗ ≤ T
t∗ = T
esetén is).
u
típusú becslésre ( -ról ez feltehet® Legyen tehát
t ∗ ∈ [0, T ] maximális úgy, hogy a fenti teljesül!
Igazoljuk el®ször a hibabecslést 0
|uh (t ) − u (t )| + 2
1 2
Z t 0
≤ t ≤ t∗
esetén, azaz
kuh (s ) − u (s )k2 ds ≤ C 0 e CL(2r )t h4 ,
Ekkor már csak azt kéne megmutatnunk, hogy
t∗ = T
0
≤ t ≤ t ∗.
(kell®en kis
h>0
esetén). Kovács B. (Tübingen)
Dynamic boundary conditions
29 / 43
Egy jó trükk II. Inverz becsléssel:
kuh kL∞ (Ω) ≤ kuh − Ih u kL∞ (Ω) + kIh u kL∞ (Ω) ≤ Ch−d /2 kuh − Ih u kL2 (Ω) + ku kL∞ (Ω) ≤ Ch−d /2 kuh − u kL2 (Ω) + Ch−d /2 ku − Ih u kL2 (Ω) + ku kL∞ (Ω) ≤ CC2 h2−d /2 + Ch2−d /2 ku kH 2 (Ω) + ku kL∞ (Ω) ≤ 32 r .
Azaz
t ∗ nem lehetett maximális!
Kovács B. (Tübingen)
Dynamic boundary conditions
⇒
t∗ = T
30 / 43
Id®diszkretizációk
Kovács B. (Tübingen)
Dynamic boundary conditions
31 / 43
Klasszikus implicit módszerek Ugyanazt az absztrakt formalizmust használjuk, amelyben a parabolikus feladatok id®diszkretizációja jól ismert: pl. BDF vagy algebrailag stabil implicit RungeKutta módszerek.
m(∂tτ uhn , vh ) + a(uhn , vh ) = m(f (t n ), vh )
∀ vh ∈ Vh ,
[Akrivis, Crouzeix, Lubich, Ostermann, Savaré, ..., ... ] Például, egy
k
k ≤ 5):
lépéses BDF módszer (
δ
0
τ
M
+A
1 n n u = b(t ) − M τ
k X j =1
δj un−j .
a klasszikus rendben konvergál.
Kovács B. (Tübingen)
Dynamic boundary conditions
32 / 43
Splitting módszerek I.
Force splitting: válasszuk el a tartományt és a felületet:
a(·, ·) = aΩ (·, ·) + aΓ (·, ·) A
1
[t0 , t1/2 ]:
=
AΩ
+ AΓ
˙ (t ) = −AΓ u(t ) + bΓ (t0 ),
Mu
0
1/2,− .
kezdeti feltétel: u , megoldás: u 2
[t0 , t1 ]:
˙ (t ) = −AΩ u(t ) + bΩ (t1/2 ),
Mu
kezdeti feltétel: u 3
[t1/2 , t1 ]:
1/2,− , megoldás:
˙ (t ) = −AΓ u(t ) + bΓ (t1 ),
1/2,+ .
u
Mu
kezdeti feltétel: u
Kovács B. (Tübingen)
1/2,+ , megoldás:
Dynamic boundary conditions
1
u .
33 / 43
Splitting módszerek II.
Component splitting: válasszuk el a bels® és a perem pontokat:
u
1
2
=
u0 u1
[t0 , t1/2 ]: [t0 , t1 ]:
,
M
=
[t1/2 , t1 ]:
0
0
M1
,
A
=
A00
A01
A10
A11
,
b
=
b0 b1
.
˙ (t ) = −A11 u1 (t ) − A10 u00 + b1 (t0 ),
M1 u 1
1/2
0
kezdeti feltétel: u1 , megoldás: u1
˙ (t
M1 u 1
kezdeti
Kovács B. (Tübingen)
.
1/2 ) = −A00 u0 ( ) − A01 u1 + b0 ( 1/2 ), 0 1 feltétel: u0 , megoldás: u0 . ) = −A11 u1 ( ) − A10 u10 + b1 ( 1 ), 1/2 1 feltétel: u1 , megoldás: u1 .
˙ (t
M0 u 0
kezdeti 3
M0
t
t
Dynamic boundary conditions
t
t
34 / 43
Numerikus kísérletek
Kovács B. (Tübingen)
Dynamic boundary conditions
35 / 43
AllenCahn egyenlet dinamikus peremfeltételekkel BDF2 (
∂t u = ∆u + fΩ
Ω-ban
µ ∂t u = β ∆Γ u − ∂ν u + W
0 Γ(
u ) + fΓ
BDF 10
−2
dof − 144 dof − 541 dof − 2097 dof − 8257 slope 2
0
10
−2
10 error − a
10 error − m
BDF
dof − 144 dof − 541 dof − 2097 dof − 8257 slope 2
0
Γ-n,
−4
10
−6
−4
10
−6
10
10 −3
10
−2
10 step size (τ)
−1
−3
10
BDF2 módszer hibája
10
t
−2
10 step size (τ)
= 1 id®pontban
−1
10
AllenCahn egyenlet dinamikus peremfeltételekkel BDF4
BDF 10
−2
dof − 144 dof − 541 dof − 2097 dof − 8257 slope 4
0
10
−2
10 error − a
10 error − m
BDF
dof − 144 dof − 541 dof − 2097 dof − 8257 slope 4
0
−4
10
−6
−4
10
−6
10
10 −3
10
−2
10 step size (τ)
−1
−3
10
BDF4 módszer hibája
10
t
−2
10 step size (τ)
= 1 id®pontban
−1
10
Force splitting Γ - Ω
force 10
−2
dof − 144 dof − 541 dof − 2097 dof − 8257 slope 2
0
10
−2
10 error − a
10 error − m
force
dof − 144 dof − 541 dof − 2097 dof − 8257 slope 2
0
−4
10
−6
−4
10
−6
10
10 −3
10
−2
10 step size (τ)
−1
−3
10
Force splitting hibája
10
t
−2
10 step size (τ)
= 1 id®pontban
−1
10
Component splitting 0 - 1
component 10
−2
dof − 144 dof − 541 dof − 2097 dof − 8257 slope 2
0
10
−2
10 error − a
10 error − m
component
dof − 144 dof − 541 dof − 2097 dof − 8257 slope 2
0
−4
10
−6
−4
10
−6
10
10 −3
10
−2
10 step size (τ)
−1
10
−3
−2
10
Figure: Component splitting hibája
10 step size (τ)
t
= 1 id®pontban
−1
10
Összefoglalás
általános absztrakt formalizmus; így a meglév® id®diszkretizációs eredmények direkt alkalmazhatóak; Ritz projekció nem a szokásos elliptikus formán alapul, hanem új, peremtagokat is tartalmaz, esetszétválasztás:
β = 0, β > 0;
sima felületek esetén a felület approximációja fontos; splitting(!!);
Kovács B. (Tübingen)
Dynamic boundary conditions
40 / 43
Köszönöm a gyelmet!
Kovács B. (Tübingen)
Dynamic boundary conditions
41 / 43
Egy jó trükk I. 0 Legyen f és f lokálisan Lipschitz. A szemilineáris feladat hibabecslésében szükség van a nemlineáris tag becslésére, ehhez pedig egy
kuh (·, t )kL∞ (Ω) ≤ 2r
t∗ ≤ T
t∗ = T
esetén is).
u
típusú becslésre ( -ról ez feltehet® Legyen tehát
t ∗ ∈ [0, T ] maximális úgy, hogy a fenti teljesül!
Igazoljuk el®ször a hibabecslést 0
|uh (t ) − u (t )| + 2
1 2
Z t 0
≤ t ≤ t∗
esetén, azaz
kuh (s ) − u (s )k2 ds ≤ C 0 e CL(2r )t h4 ,
Ekkor már csak azt kéne megmutatnunk, hogy
t∗ = T
0
≤ t ≤ t ∗.
(kell®en kis
h>0
esetén). Kovács B. (Tübingen)
Dynamic boundary conditions
42 / 43
Egy jó trükk I. 0 Legyen f és f lokálisan Lipschitz. A szemilineáris feladat hibabecslésében szükség van a nemlineáris tag becslésére, ehhez pedig egy
kuh (·, t )kL∞ (Ω) ≤ 2r
t∗ ≤ T
t∗ = T
esetén is).
u
típusú becslésre ( -ról ez feltehet® Legyen tehát
t ∗ ∈ [0, T ] maximális úgy, hogy a fenti teljesül!
Igazoljuk el®ször a hibabecslést 0
|uh (t ) − u (t )| + 2
1 2
Z t 0
≤ t ≤ t∗
esetén, azaz
kuh (s ) − u (s )k2 ds ≤ C 0 e CL(2r )t h4 ,
Ekkor már csak azt kéne megmutatnunk, hogy
t∗ = T
0
≤ t ≤ t ∗.
(kell®en kis
h>0
esetén). Kovács B. (Tübingen)
Dynamic boundary conditions
42 / 43
Egy jó trükk I. 0 Legyen f és f lokálisan Lipschitz. A szemilineáris feladat hibabecslésében szükség van a nemlineáris tag becslésére, ehhez pedig egy
kuh (·, t )kL∞ (Ω) ≤ 2r
t∗ ≤ T
t∗ = T
esetén is).
u
típusú becslésre ( -ról ez feltehet® Legyen tehát
t ∗ ∈ [0, T ] maximális úgy, hogy a fenti teljesül!
Igazoljuk el®ször a hibabecslést 0
|uh (t ) − u (t )| + 2
1 2
Z t 0
≤ t ≤ t∗
esetén, azaz
kuh (s ) − u (s )k2 ds ≤ C 0 e CL(2r )t h4 ,
Ekkor már csak azt kéne megmutatnunk, hogy
t∗ = T
0
≤ t ≤ t ∗.
(kell®en kis
h>0
esetén). Kovács B. (Tübingen)
Dynamic boundary conditions
42 / 43
Egy jó trükk II. Inverz becsléssel kell®en kis
h esetén:
kuh kL∞ (Ω) ≤ kuh − Ih u kL∞ (Ω) + kIh u kL∞ (Ω) ≤ Ch−d /2 kuh − Ih u kL2 (Ω) + ku kL∞ (Ω) ≤ Ch−d /2 kuh − u kL2 (Ω) + Ch−d /2 ku − Ih u kL2 (Ω) + ku kL∞ (Ω) ≤ CC2 h2−d /2 + Ch2−d /2 ku kH 2 (Ω) + ku kL∞ (Ω) ≤ 32 r .
Azaz
t ∗ nem lehetett maximális!
Kovács B. (Tübingen)
Dynamic boundary conditions
⇒
t∗ = T
43 / 43