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A new fast predictor-corrector method for nonlinear time-fractional reaction-diffusion equation with nonhomogeneous terms

数学 预测-校正方法 非线性系统 方案(数学) 分数阶微积分 扩散方程 应用数学 趋同(经济学) 初值问题 数学分析 物理 经济增长 量子力学 经济 经济 服务(商务)
作者
Zhenming Wang,Xiaozhong Yang,Xin Gao
出处
期刊:Discrete and Continuous Dynamical Systems-series B [American Institute of Mathematical Sciences]
卷期号:28 (7): 3898-3924 被引量:1
标识
DOI:10.3934/dcdsb.2022247
摘要

Time-fractional reaction-diffusion (TFRD) equation is an important fractional parabolic equation, and the research of its numerical solution has scientific significance and engineering application value. In this paper, a new fast predictor-corrector (FP-C) scheme is constructed based on fast L1 approximation of Caputo fractional derivative for solving nonlinear TFRD equation with nonhomogeneous terms. The linearized implicit difference scheme is used for the predictor step and Crank-Nicolson(C-N) scheme is used for the corrector step. Theoretical analysis proves that FP-C scheme is convergent and stable unconditionally for nonlinear TFRD equation. Numerical analysis and experiments show that the computational accuracy of FP-C scheme is $ O(\tau^{2-\alpha}+h^2) $ under the strong regularity condition and $ O(\tau^{\alpha}+h^2) $ under the weak regularity condition. Compared with the classical predictor-corrector (P-C) scheme based on standard L1 approximation, the FP-C scheme improves the computational efficiency without losing the computational accuracy. It is shown that the new FP-C scheme is an efficient method to solve nonlinear TFRD equation with nonhomogeneous terms.

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