Finite Difference Calculus Invariant Structure of a Class of Algorithms for the Nonlinear Klein–Gordon Equation

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作者
Shaofan Li,L. Vu‐Quoc
出处
期刊:SIAM Journal on Numerical Analysis [Society for Industrial and Applied Mathematics]
卷期号:32 (6): 1839-1875 被引量:218
标识
DOI:10.1137/0732083
摘要

In a previous work, the authors have presented a formalism for deriving systematically invariant, symmetric finite difference algorithms for nonlinear evolution differential equations that admit conserved quantities. This formalism is herein cast in the context of exact finite difference calculus. The algorithms obtained from the proposed formalism are shown to derive exactly from discrete scalar potential functions using finite difference calculus, in the same sense as that of the corresponding differential equation being derivable from its associated energy function (a conserved quantity). A clear ramification of this result is that the derived algorithms preserve certain discrete invariant quantities, which are the consistent counterpart of the invariant quantities in the continuous case. Results on the nonlinear stability of a class of algorithms that are derived using the proposed formalism, and that preserve energy or linear momentum, are discussed in the context of finite difference calculus. Some numerical experiments are presented to illustrate the conservation property of the proposed algorithms.

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