The construction of an optimal fourth-order fractional-compact-type numerical differential formula of the Riesz derivative and its application

数学 订单(交换) 正确性 类型(生物学) 数值分析 分数阶微积分 数学分析 差速器(机械装置) 空格(标点符号) 应用数学 算法 计算机科学 生物 操作系统 工程类 航空航天工程 经济 生态学 财务
作者
Hengfei Ding
出处
期刊:Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation [Elsevier]
卷期号:123: 107272-107272 被引量:3
标识
DOI:10.1016/j.cnsns.2023.107272
摘要

In this paper, a novel optimal fourth-order fractional-compact-type numerical differential formula for the Riesz derivatives is derived by constructing the appropriate generating function. Meanwhile, some interesting and important properties of the proposed formula are also presented and proved. Then, we take the nonlinear space fractional Ginzburg–Landau equations as an example and establish a high-order finite difference scheme by combining the compact integral factor method with Padé approximation. Furthermore, based on the discrete energy analysis method, the proposed difference scheme is proved to be uniquely solvable and convergent with order O(τ2+h4) under different norms, where τ and h denote the temporal and spatial mesh step sizes, respectively. Finally, some numerical results are provided to illustrate the accuracy of numerical differential formula and the effectiveness of numerical method, and further demonstrate the correctness of theoretical analysis.
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