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Fully decoupled and high-order linearly implicit energy-preserving RK-GSAV methods for the coupled nonlinear wave equation

数学 非线性系统 订单(交换) 波动方程 能量(信号处理) 数学分析 应用数学 控制理论(社会学) 物理 控制(管理) 财务 量子力学 统计 经济 管理
作者
Dongdong Hu
出处
期刊:Journal of Computational and Applied Mathematics [Elsevier]
卷期号:445: 115836-115836
标识
DOI:10.1016/j.cam.2024.115836
摘要

This paper is concerned with high-order accurate, linearly implicit and energy-preserving schemes for the coupled nonlinear wave equation. To this end, a novel auxiliary variable approach proposed in a recent paper (Ju et al., 2022) is applied to reformulate the governing equation in an equivalent system, which possesses a modified energy that consists of primary functional and quadratic functional. Subsequently, we utilize the extrapolation strategy/prediction–correction technique for treating the nonlinear terms of the equivalent system to obtain a linearized energy-preserving system. Then, a series of fully decoupled high-order linear energy-preserving schemes are constructed by using the symplectic Runge–Kutta (RK) methods. We show that the modified energy functional can be precisely conserved under certain circumstances for the coefficients of the symplectic RK methods, and the unique solvability of the proposed time-stepping scheme is analysed. In numerical implementations, a class of linear algebraic equations with constant-coefficient matrices need to be solved at each time step and only less computational costs are required. Extensive numerical experiments of the coupled nonlinear wave equation with local/nonlocal diffusion operators are provided to illustrate the energy conservation law and the computational efficiency of the schemes in long-time simulations.

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