Numerical Analysis of Nonlinear Subdiffusion Equations

数学 非线性系统 李普希茨连续性 点式的 独特性 数值分析 格朗沃尔不等式 分数阶微积分 应用数学 正交(天文学) 数学分析 物理 不平等 量子力学 电气工程 工程类
作者
Bangti Jin,Buyang Li,Zhi Zhou
出处
期刊:SIAM Journal on Numerical Analysis [Society for Industrial and Applied Mathematics]
卷期号:56 (1): 1-23 被引量:211
标识
DOI:10.1137/16m1089320
摘要

We present a general framework for the rigorous numerical analysis of time-fractional nonlinear parabolic partial differential equations, with a fractional derivative of order $\alpha\in(0,1)$ in time. It relies on three technical tools: a fractional version of the discrete Grönwall type inequality, discrete maximal regularity, and regularity theory of nonlinear equations. We establish a general criterion for showing the fractional discrete Grönwall inequality and verify it for the L1 scheme and convolution quadrature generated by backward difference formulas. Further, we provide a complete solution theory, e.g., existence, uniqueness, and regularity, for a time-fractional diffusion equation with a Lipschitz nonlinear source term. Together with the known results of discrete maximal regularity, we derive pointwise $L^2(\Omega)$ norm error estimates for semidiscrete Galerkin finite element solutions and fully discrete solutions, which are of order $O(h^2)$ (up to a logarithmic factor) and $O(\tau^\alpha)$, respectively, without any extra regularity assumption on the solution or compatibility condition on the problem data. The sharpness of the convergence rates is supported by the numerical experiments.

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