2024年3月12日发(作者:乞巧古诗的诗意)
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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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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
一
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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