Energy stable higher-order linear ETD multi-step methods for gradient flows: application to thin film epitaxy

离散化 数学 能量(信号处理) 数学分析 理论(学习稳定性) 指数函数 傅里叶变换 时间离散化 应用数学 计算机科学 统计 机器学习
作者
Wenbin Chen,Weijia Li,Cheng Wang,Shufen Wang,Xiaoming Wang
出处
期刊:Research in the Mathematical Sciences [Springer Nature]
卷期号:7 (3) 被引量:39
标识
DOI:10.1007/s40687-020-00212-9
摘要

We discuss how to combine exponential time differencing technique with multi-step method to develop higher order in time linear numerical scheme that are energy stable for certain gradient flows with the aid of a generalized viscous damping term. As an example, a stabilized third order in time accurate linear exponential time differencing (ETD) scheme for the epitaxial thin film growth model without slope selection is proposed and analyzed. An artificial stabilizing term $$A\tau ^3\frac{\partial \Delta ^3 u}{\partial t}$$ is added to ensure energy stability, with ETD-based multi-step approximations and Fourier pseudo-spectral method applied in the time integral and spatial discretization of the evolution equation, respectively. Long-time energy stability and an $$\ell ^{\infty }(0,T; \ell ^2)$$ error analysis are provided, based on the energy method. In addition, a few numerical experiments are presented to demonstrate the energy decay and convergence rate.

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