A constructive low-regularity integrator for the one-dimensional cubic nonlinear Schrödinger equation under Neumann boundary condition

数学 数学分析 离散化 规范(哲学) 积分器 有界函数 Neumann边界条件 傅里叶变换 非线性系统 边值问题 法学 带宽(计算) 政治学 物理 量子力学 计算机科学 计算机网络
作者
Genming Bai,Buyang Li,Yifei Wu
出处
期刊:Ima Journal of Numerical Analysis [Oxford University Press]
卷期号:43 (6): 3243-3281 被引量:3
标识
DOI:10.1093/imanum/drac075
摘要

Abstract A new harmonic analysis technique using the Littlewood–Paley dyadic decomposition is developed for constructing low-regularity integrators for the one-dimensional cubic nonlinear Schrödinger equation in a bounded domain under Neumann boundary condition, when the frequency analysis based on the Fourier series cannot be used. In particular, a low-regularity integrator is constructively designed through the consistency analysis by the Littlewood–Paley decomposition of the solution, in order to have almost first-order convergence (up to a logarithmic factor) in the $L^{2}$ norm for $H^{1}$ initial data. A spectral method in space, using fast Fourier transforms with $\mathcal{O}(N\ln N)$ operations at every time level, is constructed without requiring any Courant-Friedrichs-Lewy (CFL) condition, where $N$ is the degrees of freedom in the spatial discretization. The proposed fully discrete method is proved to have an $L^{2}$-norm error bound of $\mathcal{O}(\tau [\ln (1/\tau )]^{2}+ N^{-1})$ for $H^{1}$ initial data, where $\tau $ is the time-step size.
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