Analysis of adaptive BDF2 scheme for diffusion equations

数学 方案(数学) 应用数学 扩散 数学分析 热力学 物理
作者
Hong-lin Liao,Zhimin Zhang
出处
期刊:Mathematics of Computation [American Mathematical Society]
卷期号:90 (329): 1207-1226 被引量:80
标识
DOI:10.1090/mcom/3585
摘要

The variable two-step backward differentiation formula (BDF2) is revisited via a new theoretical framework using the positive semi-definiteness of BDF2 convolution kernels and a class of orthogonal convolution kernels. We prove that, if the adjacent time-step ratios $r_k\coloneq \tau _k/\tau _{k-1}\le (3+\sqrt {17})/2\approx 3.561$, the adaptive BDF2 time-stepping scheme for linear reaction-diffusion equations is unconditionally stable and (maybe, first-order) convergent in the $L^2$ norm. The second-order temporal convergence can be recovered if almost all of time-step ratios $r_k\le 1+\sqrt {2}$ or some high-order starting scheme is used. Specially, for linear dissipative diffusion problems, the stable BDF2 method preserves both the energy dissipation law (in the $H^1$ seminorm) and the $L^2$ norm monotonicity at the discrete levels. An example is included to support our analysis.
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