基于三角形剖分的最小二乘混合元超收敛性研究

更新时间:2024-03-12 15:38:08 阅读: 评论:0

2024年3月12日发(作者:乞巧古诗的诗意)

基于三角形剖分的最小二乘混合元超收敛性研究

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第24卷第1期 

湘潭大学自然科学学报 

vd.24No.1 

2OO2年3月 

Natural Sder ̄ce Joen ̄d 0fXiar ̄.tanUIlive商计 

Mar.2O皿 

基于三角形剖分的 

最小二乘混合元超收敛性研究 

杨菊娥, 陈艳萍 

(湘潭大学计算与应用数学研究所,湖南湘潭4IIio5) 

【摘要】i,-t ̄了二阶椭圆问题的最小二粟混合元方法及其超收敛性,采用一致三角形剖分、分片一次多项式空问对未知 

函敷作有限元逼近.而对其通量且 采用最低阶的Ravisa't一11哪峭元逼近.通过投影算子和辅助算子的拄术,得捌了精度为 

0(^扰)的超收敛结果. 

关键词:最小二乘混台有限元.超收敛性.一致三角形剖分.插值算子 

中圈分类号:位14 立t标识码:A 文章墒号:1(300一舢l2002Io1一∞∞-05 

Superconvergence of Least——Squares Mixed Finite Elements 

for Elliptic Problems on Triangulation 

YANGn一 t cHEN Yah一帆 

ll ̄dtutef Q栅pu 6肌 end^弹li ^II 即_血 -・Xl Unlve ̄ty-)ciI噼啊I41I105 Chlr ̄l 

【Abstract】In崎paper 唧∞ IeBIlIlis bytheleast squa ̄II 【e eleme ̄methodfor 

the鸵c0I.d older dliP 唧on 如gul幽I These e自血蝴眦besed on p叫ec operators and an suxilisry 

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ng山dm;interpolation pr咄 ∞ 

AMS sII e a越 【c叫舭:65N30 

0弓l言 

我们就二阶椭圆型方程的Dirlchlet边界问题来讨论. 

fL 14

,=

0 ∈an 

n (

… 

0 1) 

其中n C 是有界开子集,v是边界如的外法向.fE (n),a(x)∈cJ(x)并且存在正常数a.和 

a 满足对所有 ∈五 

口_≤o( )≤口2 (0 2) 

设p=一a(x)gradⅡ,p=(P.。p:),得到与(O 1)等价的一阶方程组: 

rp+0( )gradu=0 ∈n 

{di

【u:0 

vp一,=0 ∈力 

∈an 

(0.3) 

70年代P.A.Raviart和J.M Thomas提出了混合有限元方法 .J.Doughs Jr. ,R.E Ewing[ ̄,陈 

艳萍 等人把混合元方法_用于可混溶驱动问题的求解,通过解的正则性处理,成功地得到了二阶椭圆 

00710 ̄);2.高等学校教育部骨干教师基金资助项目(。G—llO一10530—10∞);3国家 

顼士研究生. 

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第l期 杨菊娥等 基于三角形剖分的最小二乘混台元超收敛性研究 9 

问题混合元方法的超收敛性,提高了数值解的精度.但混合有限元空间要求满足匹配条件(LBB),导出 

的刚度矩阵非对称正定,这种线性方程组的求解是相当困难的,大型科学计算问题更是如此. 

为此,对该问题,本文首先导出混合元最小二乘方法的等价弱形式,然后用该方法来求解二阶椭 

圆微分方程.该法的优点:1)混合元空间不受匹配条件的影响;2)导出方程的系数矩阵对称正定,容易 

求解.A.I.Pehlivanov等人在文 用最Jb--乘混合元法求解二阶椭圆问题,后来,陈艳萍教授用最Jb ̄- 

乘混合元法求解可混溶驱动问题 和退化的椭圆问题 ,得到了最优阶误差估计.在此基础上,本文 

采用一致三角形剖分,利用一些适当的投影算子,得出了二阶椭圆问题最小二乘混合元方法的超收敛 

性结果. 

1最tJ ̄'-乘混合有限元方法 

定义 

{”∈/-/‘(1"1): =0x∈anl (1.1) 

Q=t q∈(£ (1"1)) ;div口∈r(1"1)} (1.2) 

具有范数 

I l. :( ll:. +I1 grad”ll。2.. )” (1.3) 

ll q lI m:(1l q n+ll div q Il 、 ) (1.4) 

定义问题(0.1)的泛函 

,( ,g):(div q—f,div q一 。_n+(q+口( )grad”,口( ) q+grad )。.口 (1.5) 

则问题(0.3)的解Ⅱ,p等价于求,(”,q)的最小值,即u,p满足 

p)_ E ( ) (1-6) 

定义算子口(u,p; ,q)为 

口(u,p; ,q):(div p,dlv q)0.n+(p+口( )grad u.口一 ( )q+grad”)mn (1.7) 

由变分原理知,(1.6)的弱形式即:找Ⅱ∈V,p∈Q,满足 

a(u,p; , )=(f,div q) V ∈ ,早∈Q (1.8) 

引理1对 ∈ ,q∈p,则存在一个正常数c>0,成立 

c( + q f ㈣)≤口( ,口;”,q) (1.9) 

证明过程见[1,2,12].引进有限元子空间为 

{ ∈c0(1"1): lI∈P1( ).VK∈ 『m:0I (1.10) 

P ( 是次数为1的完全多项式 向量函数场则取为最低阶的R 一 0rn8s( :0)空间 

口^(K):{ ∈Q:q^『 ∈((Po(K)) 0i P0(K))V K∈ I (1.11) 

这里我们要求剖分 为一致三角形剖分,即任意两个相邻的三角形都可以形成一个平行四边形. 

K是 中任意的三角形,记 . 为其最接近正交的两条外法向量,若 , 是两相邻三角形,且 ( 

:1,2)是公共边的外法向量,则记Ⅳ,=KI U (i=l,2).从而n就被分解为平行四边形M和一些 

边界三角形 (i=1,2).所有 

的集合记为 ,所有边界三角形 的集合则记为aq

,. 

引理2设N=K1 U Kt. 是两个三角形.Ⅱ^为最低阶的tla ̄-t— ∞投影 ],对所有的 

q∈[伊。(N)] .伊。(N)∈P.(,v)成立 

q一Ⅱ^q)dxdy=0 (1.12) 

现在,对 和口^,(1.8)的离散形式即:找 ∈ , ∈口^满足 

口( . ; , )=(f,div ) V ∈ , ∈ (1.13) 

根据L“一Milg ̄定理知.最小二乘变分问题(1.8)及其离散形式(1.13)有唯一解 

而且(1.13)减去 

(1.8)得到误差方程满足正交性质 

口(u—u^,p— ; . )=0 V ∈ , ∈口^ 

(1.14) 

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10 湘潭太学自然科学学报 20∞年 

2超收敛估计 

引理3 

(所有 

是n的一致三角形剖分,假定n被分解成平行四边形 和边界三角形 ,那么对 

的集合),存在某一个正常数c,满足 

(p一Ⅱ ,q )。. ≤ch l lp lI 2. f Il1。. V口^∈ 

引理4 是n的一致三角形剖分,则 

(2・ ) 

(div(p一Ⅱ ),div )口_n=0 v 

引理5 

(所有 

∈Q^ (2.2) 

引理3.1和引理3.2的证明可利用分部积分N[3Uoe ̄定理1.4以及引理1.25—1.29. 

是n的一致三角形剖分,假定n被分解成平行四边形 和边界三角形 ,那么对 

的集合),那么存在某一个常数c>0满足 

(p一Ⅱ ,grad )≤ch I『P ll驰.日I1 I1 1 n V 

知,在所有平行四边形 的集合 上有 

∈ (2.3) 

证明对任意 ∈ ,gradv^是常数(见2.io),显然 满足引理2中的N的条件,从而由(1.12) 

(p一Ⅱ ,grad )0. =0 

对于边界三角形 的集合 ,利用Cauchy—Schwarz'不等式和逼近性质可得 

(2.4) 

l I11 ,n(2・5) 

(2 6) 

((p一1-I ̄),grad )。. ≤c I『P一Ⅱ ll。. lI lI¨ ≤ ll p I1 

定义 ={ ∈n I j Y∈an:dist(x,Y)≤h}则由Sobolev空间的基本理论得 

lI P 1,atl ̄≤l lP ll 1,0a≤ch I1 P 0 m.n 

(2.6)代人(2.5)有 

((p一Ⅱ ),gradv ̄,) ≤ch II p lI .n II Il 1,n (2.7) 

引理得证. ◇ 

定理3.1设 为n上的一致三角形剖分,( , )是问题(0.1)的解,则对u∈旷(n),P∈ 

(H2(n) 有如下超收敛估计: 

lI 一P u Il 0.n+II p^一Ⅱ II (曲 )≤ch啦(1l P lI蚍. + lI P Il n+lI u II,.n)(2.8) 

证明引进投影算子 

(4( )grad(口一 口),grad )o.n=0 对所有 ∈ (2.9) 

I1口一s^口I l01n+h 口一s^ I1∽≤ch I1 F lI .n (2.10) 

【 ls u—Pku lII-n≤ch II u n 

利用引理1和正交性质(1.14)可得 

(2.11) 

l Uh— u +l『p^一Ⅱ Il ( n)≤co( 一P^u, 一Ⅱ ; 一Phu,P 一Ⅱ^p)= 

c。(u— ,P一Ⅱ ; 一P^u,P 一Ⅱ )= 

c(div(p一Ⅱ ),div( 一Ⅱ ))nn+(p一Ⅱ P,n( )。(p^一Ⅱ ))。m+ 

(grad(u— u),Ph一Ⅱ )㈣+(p一Ⅱ ,grad( 一即))∽+ 

5 

(口( )grad(u— u),grad( 一P^u)) =∑^ 

由引理4知 

(2 12) 

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第i期 杨菊娥等 基于三角形剖分的最小二乘混合元超收敛性研究 

,】=(div(p一Ⅱ^P),div( 一Ⅱ =0 

对任意的 ∈ ,取n一‘( )在平行四边形 的平均值 ,则l n ( )一 l≤Ch・于是, 

由引理3和逼近性质可得 

Ml=(p一Ⅱ ,a-I( )( 一Ⅱ ))。. = 

[(p一Ⅱ ,(。一 ( )一 )( n 。. (p一Ⅱ , ( Ⅱ 。. ]≤ 

∈ ‘ 。 

∑[Ch 一n 。. 一Ⅱ 。. l—aAf't (p一Ⅱ,, 一Ⅱ )。 .门≤ 

∈门J L - 

ch 一Ⅱ 。. (2・13) 

以^√ 为新基定义坐标变换F,其中 ,^是剖分三角形单元接近正交的两条外法向量,则F~= 

( ,五).记e.,e 为 的单位向量,那么 

(p一Ⅱ,.。( )一 ( 一Ⅱ )) =(F( 一Ⅱ ), 。( )‘。(p一Ⅱ 气= 

∑J (F( 一Ⅱ )) F~a( )‘。(p—n )d dy=荟 “ (2.14) 

其中 

Ⅱ 出 一Ⅱ y 

取边界三角形的内边的中点为M,则由(o.2)式和矩阵F 的规范性知:在 上 

d( )~eTF一‘ e.( )=o( )~e F一‘ e ( )+D(^) (2.15) 

于是 

l 11 l≤∑l(e F n( )~e )( )J e

‘^ 

TF(p 一兀 )(p一Ⅱ,) e dxdy l+ 

∑c

'l 

h l l e

^ 

 F( 一n )(p一Ⅱ,) e-dxdy l≤ 

l det(F)lll(eTF 。( ) ) 一Ⅱ 。. 一Ⅱ 气 

 ldet(F)l h P一Ⅱ ¨ P一Ⅱ 。. (2・16) 

再一次利用Cauehy—Sehwam不等式和有限元逼近理论可得 

l,】I≤c l det(F)l I I一Ⅱ,II o,. (1I e F a( )~e II*+1)(^ II p II ,n+^II p II ) 

(2.17) 

因此 

≤ch I IP 一Ⅱ^P II∽(^ II P II +II P II ) 

(2.18) 

L≤ch II P 一1-/,II。.n(^ II P II-.n+h I IP I:-n+II P II -n) 

(2.19) 

=一

(u— ,div(p 一Ⅱ ))。.n≤ 

c II u— u I。. I P 一Ⅱ,II ≤ch II u II:.n II P 一Ⅱ II fhn 

(2.加) 

L=(p一Ⅱ ,grad( 一P^u))。_n≤ch II P II n II u 一 u II _n 

(2.21) 

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12 湘潭大学自然科学学报 2oo2正 

厶=(A grad(s^H—P^Ⅱ),grad( 一P^H))o.n≤ 

c RⅡ一P^Ⅱll1.n 0 一P^ llI-n《ch2 I1 H ll 3ln 一P^u llI.n (2.恐) 

这里我们利用了Cauchy—Sehv ̄tz不等式和一些逼近性质,引理5,以及算子s^的性质.联立(2.11,(2. 

18—2.22)以及So ̄lev空间的嵌入定理,有 

I 一P^ I Itm+II P^一II,p II c n)≤ 

ch3n(II p 

n+h。 l lp II】,n+ 。 II p I I. +h。 I IH II .n+h II u II 3.n) (2.23) 

综上所述,定理得证. ◇ 

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标签:三角形   混合   剖分   问题   有限元
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