بررسی پایداری طرح تفاضلات متناهی غیراستاندارد برای حل معادلات دیفرانسیل با مشتقات نسبی خطی از مرتبه کسری

نویسندگان
دانشگاه سیستان وبلوچستان، گروه ریاضی
چکیده
عمل‌گرهای مشتق و انتگرال کسری مفهوم جدیدی از مشتق و انتگرال از مرتبۀ دل‌خواه است. معادلۀ دیفرانسیل با مشتقات نسبی )[1](PDE که مشتقات موجود در آن بتوانند از مرتبه کسری باشند معادلۀ دیفرانسیل با مشتقات نسبی کسری ([2](FPDE گفته می شود. امروزه این معادلات به‌دلیل کاربرد زیاد توجه ویژه‌ای را به خود معطوف داشته‌اند. در این مقاله حالت نسبتاً کلی از یک FPDE مطرح می شود، برای به‌دست آوردن طرحی عددی، مشتقات کسری موجود در معادله با استفاده یکی از تعاریف متداول گرانوالد- لتنیکوف[3]، ریمان- لیوویل[4] و کاپتو[5] جای‌گزین می‌شوند و برای بهبود جواب عددی، مشتقات نسبی موجود در معادله با استفاده از طرح‌های تفاضلی غیراستاندارد (NSFD[6]) گسسته‌سازی می شوند. سپس پایداری طرح عددی حاصل بررسی می گردد و ثابت می‌شود روش معرفی شده غیرمشروط پایدار است. در پایان با هدف تأیید نتایج تئوری، تکنیک معرفی شده برای حل معادله موج با مرتبۀ کسری که در فیزیک و شاخه‌های آن کاربرد فراوانی دارد به‌کار می رود. نتایج عددی مؤید یافته‌های تئوری است و نشان از کارایی این تکنیک دارد.




*نویسنده مسئول arabameri@math.usb.ac.ir

1. Partial Differential Equation



2. Fractional Partial Differential Equation



3. Grundwald-Letnikov



4. Riemann-Liouville



5.Caputo



6. Non-Standard Finite Difference
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

The Stability of Non-standard Finite Difference Scheme for Solution of Partial Differential Equations of Fractional Order

نویسندگان English

M. Arab Ameri
E Mir Mehrabi
Department of Mathematical Sciences, Sistan and Baluchestan University
چکیده English

Fractional derivatives and integrals are new concepts of derivatives and integrals of arbitrary order. Partial differential equations whose derivatives can be of fractional order are called fractional partial differential equations (FPDEs). Recently, these equations have received special attention due to their high practical applications. In this paper, we survey a rather general case of FPDE to obtain a numerical scheme. The fractional derivatives in the equation are replaced by common definitions such as Grundwald-Letnikov, Riemann-Liouville and Caputo. To improve the numerical solution, partial derivatives inside the equation are discrete using non-standard finite difference scheme. Then, we survey the stability of numerical scheme and prove that the proposed method is unconditionally stable. Eventually, in order to approve the theoretical results, we use the presented technique to solve wave equation with fractional-order, which is very practical and widely used in physics and its branches. Numerical results confirm the findings of the theory and show that this technique is effective.

کلیدواژه‌ها English

Fractional calculus
Fractional differential equations
Non-standard finite difference schemes
Stability
1. Podlubny I., "Fractional differential equations", Academic Press, New York (1999). 2. Mickens R.E., "Nonstandard finite difference models of differential equation", World Scientific, Singapore (1994). 3. Moaddy K., Mommani S., Hashim I., "The non-standard finite difference for linear fractional PDEs in fluid mechanics", Comput. Math. Appl., 61 (2011) 1209-1216. 4. Oldham K.B., Spanier J., "The fractional calculus", Academic Press, New York (1974). 5. Gene H. Golub, Cherles F., Van Loan, "Matrix computations" Johns Hopkins university press, London (1996). 6. Odibat Z., Momani S., "The variational iteration method an efficient scheme for handling fractional partial differential equations in fluid mechanics", Comput. Math. Appl., 58 (2009) 2199-2208. 7. Mickens R.E., "Applications of nonstandard finite difference schemes", Singapore (2000).