Все выпуски

Рассматривается биркгофова интерполяция функции двух переменных многочленами степени $2k+1$ по совокупности двух переменных на треугольнике. Подобные оценки автоматически переносятся на оценки погрешности метода конечных элементов, с которым тесно связаны. Оценки погрешности аппроксимации для производных функции в предложенных конечных элементах зависят только от диаметра разбиения и не зависят от углов триангуляции. Показана неулучшаемость полученных оценок погрешности аппроксимации функции и ее частных производных. Неулучшаемость понимается в том смысле, что существует функция из заданного класса и существуют абсолютные положительные константы, не зависящие от триангуляции, такие, что для любого невырожденного треугольника справедливы оценки снизу. В данной работе для рассматриваемых интерполяционных условий предлагается набор конкретных функций, позволяющих получить соответствующие оценки погрешности для определенных частных производных.

The paper considers Birkhoff-type triangle-based interpolation of two-variable function by polynomials of $2k+1$ degree by set of two variables. Similar estimates are automatically transferred to error estimates of related finite element method. The approximation error estimates of derivatives for the given finite elements depend only on the decomposition diameter, and do not depend on triangulation angles. We show that obtained approximation error estimates for a function and its partial derivatives are unimprovable. Unimprovability is understood in a following sense: there exists a function from the given class and there exist absolute positive constants independent of triangulation such that for any nondegenerate triangle estimates from below are valid. In this work, a system of specific functions is offered for interpolation conditions. These functions allow to obtain corresponding error estimates for definite partial derivatives.

На основе кусочно-квадратичной интерполяции получены полуаналитические аппроксимации потенциала двойного слоя вблизи и на границе двумерной области. Для вычисления интегралов, образующихся после интерполяции функции плотности, используется точное интегрирование по переменной $\rho=\left(r^2-d^2\right)^{1/2}$, где $d$ и $r$ — расстояния от наблюдаемой точки до границы области и до граничной точки интегрирования соответственно. Доказана устойчивая сходимость таких аппроксимаций с кубической скоростью равномерно вблизи границы класса $C^5$, а также на самой границе. Также доказано, что использование для вычисления интегралов стандартных квадратурных формул не нарушает равномерной кубической сходимости аппроксимаций прямого значения потенциала на границе класса $C^6$. При некоторых упрощениях доказано, что использование для вычисления интегралов стандартных квадратурных формул влечет отсутствие равномерной сходимости аппроксимаций потенциала внутри области вблизи любой граничной точки. Теоретические выводы подтверждены результатами численного решения задачи Дирихле для уравнения Лапласа в круговой области.

On the basis of piecewise quadratic interpolation, semi-analytical approximations of the double layer potential near and on the boundary of a two-dimensional domain are obtained. To calculate the integrals formed after the interpolation of the density function, exact integration with respect to the variable $\rho=\left(r^2-d^2\right)^{1/2}$ is used, where $d$ and $r$ are the distances from the observed point to the boundary of the domain and to the boundary point of integration, respectively. The study proves the stable convergence of such approximations with the cubic velocity uniformly near the boundary of the class $C^5$, and also on the boundary itself. It is also proved that the use of standard quadrature formulas for calculating the integrals does not violate the uniform cubic convergence of approximations of the direct value of the potential on the boundary of the class $C^6$. With some simplifications, it is proved that the use of standard quadrature formulas for calculating the integrals entails the absence of uniform convergence of potential approximations inside the domain near any boundary point. The theoretical conclusions are confirmed by the results of the numerical solution of the Dirichlet problem for the Laplace equation in a circular domain.

На основе кусочно-квадратичной интерполяции получены полуаналитические аппроксимации нормальной производной потенциала простого слоя вблизи и на границе двумерной области. Для вычисления интегралов, образующихся после интерполяции функции плотности, используется точное интегрирование по переменной $\rho =(r^{2} -d^{2} )^{1/2} $, где $d$ и $r$ — расстояния от наблюдаемой точки до границы области и до граничной точки интегрирования соответственно. Доказана устойчивая сходимость таких аппроксимаций с кубической скоростью равномерно вблизи границы класса $C^{5}$, а также на самой границе. Также доказано, что на границе аппроксимации по аналогии с точной функцией терпят разрыв, величина которого пропорциональна значениям интерполированной функции плотности, но могут быть доопределены на границе до функций, непрерывных или на замкнутой внутренней, или на замкнутой внешней приграничной области. Теоретические выводы о равномерной сходимости подтверждены результатами вычисления нормальной производной вблизи границы единичного круга.

On the basis of piecewise quadratic interpolation, semi-analytical approximations of the normal derivative of the simple layer potential near and on the boundary of a two-dimensional domain are obtained. To calculate the integrals formed after the interpolation of the density function, exact integration over the variable $\rho=(r^{2}-d^{2})^{1/2} $ is used, where $d$ and $r$ are the distances from the observed point to the boundary of the domain and to the boundary point of integration, respectively. The study proves the stable convergence of such approximations with cubic velocity uniformly near the boundary of the class $C^{5}$, as well as on the boundary itself. It is also proved that, by analogy with the exact function, the approximations suffer a discontinuity at the boundary, the magnitude of which is proportional to the values of the interpolated density function, but they can be extended on the boundary to functions that are continuous either on a closed internal border domain or on a closed external one. Theoretical conclusions about uniform convergence are confirmed by the results of calculating the normal derivative near the boundary of a unit circle.

Рассматривается задача консервативной интерполяции расчетных параметров между нестыкующимися поверхностными сетками. Разработан метод интерполяции на основе воксельного представления расчетной сетки с последующей оценкой площади пересечения каждого вокселя с ячейками сетки. Представление массы ячеек результирующей сетки осуществляется через линейную комбинацию известных масс ячеек базовой сетки. Метод позволяет рассматривать задачи интерполяции на криволинейных поверхностях, когда определение геометрического пересечения ячеек сеток является невозможным. Рассмотрены примеры интерполяции данных на основе различных функций на нестыкующихся сетках, описывающих плоские и криволинейные поверхности. Представлены результаты сравнения работы метода воксельной интерполяции с алгоритмом интерполяции на основе функций радиального базиса различных классов гладкости.

In this paper, we consider a problem of conservative interpolation data between non-matching surface meshes. We develop a new interpolation method based on voxel representation of the mesh followed by the evaluation of intersection area of each voxel with mesh cells. The mass of cells of the resulting mesh is represented through a linear combination of the known mass of parent cells. The method allows us to consider the problem of interpolation on curved surfaces when it is impossible to define the grid cells geometric intersection. The method was validated by numerical simulation of data interpolation based on various functions for the non-matching meshes describing plane and curved surfaces. The method of voxel interpolation was compared to the interpolation algorithm based on radial basis functions of different smoothness degree.

Рассматриваются два способа биркгофовой интерполяции функции двух переменных многочленами четвертой степени на треугольнике для метода конечных элементов. Оценки погрешности для предложенных элементов зависят только от диаметра разбиения и не зависят от углов триангуляции. Показана неулучшаемость полученных оценок.

The paper considers two methods of Birkhoff-type triangle-based interpolation of two-variable function by fourth-degree polynomials for the finite element method. The error estimates for the given elements depend only on the decomposition diameter, and do not depend on triangulation angles. We show that the estimates obtained are unimprovable.

Рассматриваются несколько способов биркгофовой интерполяции функции двух переменных многочленами пятой степени на треугольнике. Подобные оценки автоматически переносятся на оценки погрешности метода конечных элементов, с которым тесно связаны. Оценки погрешности для предложенных элементов зависят только от диаметра разбиения и не зависят от углов триангуляции. Показана неулучшаемость полученных оценок. Неулучшаемость понимается в том смысле, что существует функция из заданного класса и существуют абсолютные положительные константы, не зависящие от триангуляции, такие, что для любого невырожденного треугольника справедливы оценки снизу.

The paper considers several methods of Birkhoff-type triangle-based interpolation of two-variable function by fifth-degree polynomials. Similar estimates are automatically transferred to error estimates of related finite element method. The error estimates for the given elements depend only on the decomposition diameter, and do not depend on triangulation angles. We show that the estimates obtained are unimprovable. Unimprovability is understood in a following sense: there exists function from the given class and there exist absolute positive constants independent of triangulation such that for any nondegenerate triangle estimates from below are valid.

Рассматриваются два способа биркгофовой интерполяции функции двух переменных многочленами второй степени на треугольнике для метода конечных элементов. Оценки погрешности для одного из предложенных параболических элементов зависят только от диаметра разбиения и не зависят от углов триангуляции. Показана неулучшаемость полученных оценок.

This paper is devoted to analysing the interpolation of the function of two variables by a parabolic polynomial on a triangle for the finite element method. The estimates of error for a given piecewise parabolic polynomial depend only on the diameter of restricted partition and don't depend on the angles of triangulation.

Рассматривается уравнение в частных производных первого порядка с эффектом наследственности:

$$ \frac{\partial u(x,t)}{\partial t} + a \frac{\partial u(x,t)}{\partial x} = f ( x, t, u(x,t), u_t(x,\cdot)),$$ $$u_t(x,\cdot) = \{u(x,t+s), -\tau\leqslant s <0\}.$$

Для такого уравнения, с позиций принципа разделения конечномерной и бесконечномерной составляющих состояния, строятся сеточные методы: аналог семейства схем бегущего счета, аналог схемы Кранка-Николсон, метод аппроксимации на середину квадрата. Для учета эффекта наследственности применяются одномерная и двойная кусочно-линейная интерполяции и экстраполяция продолжением. Доказывается, что рассмотренные методы имеют порядки локальной погрешности: соответственно $O(h+\Delta)$, $O(h+\Delta^2)$ и $O(h^2+\Delta^2)$, где $h$ - шаг дискретизации по пространственной переменной, $\Delta$ - шаг дискретизации по временной переменной. Исследуются свойства двойной кусочно-линейной интерполяции. Используя результаты общей теории разностных схем, установлены условия устойчивости предложенных методов. С помощью вложения в общую схему численных методов для функционально-дифференциальных уравнений получены теоремы о порядках сходимости сконструированных алгоритмов. Приведены тестовые примеры по сравнению погрешностей методов.

We consider a first-order partial differential equation with heredity effect

$$ \frac{\partial u(x,t)}{\partial t} + a \frac{\partial u(x,t)}{\partial x} = f ( x, t, u(x,t), u_t(x,\cdot)),$$ $$u_t(x,\cdot) = \{u(x,t+s), -\tau\leqslant s <0\}.$$

For such an equation we construct grid methods using the principle of separation of finite-dimensional and infinite-dimensional state components. These grid methods are: analog of running schemes family, analog of Crank-Nicolson scheme, an approximation method to the middle of the square. The one-dimensional and double piecewise linear interpolation and the extrapolation by continuation are applied in order to account the effect of heredity. It is shown that the considered methods have orders of a local error: $O (h +\Delta) $, $O (h +\Delta^2) $ and $O (h^2 +\Delta^2)$ respectively, where $h$ is the spatial discretization interval, $\Delta$ is the time discretization interval. Properties of double piecewise linear interpolation are investigated. Using the results of the general theory of differential schemes, stability conditions of the proposed methods are established. Including them in the general scheme of numerical methods for the functional-differential equations, theorems of orders of proposed algorithms convergence are received. Test examples comparing errors of methods are given.

Рассматривается биркгофова интерполяция функции двух переменных многочленами шестой степени на треугольнике. Подобные оценки автоматически переносятся на оценки погрешности метода конечных элементов, с которым тесно связаны. Оценки погрешности для предложенных элементов зависят только от диаметра разбиения и не зависят от углов триангуляции. Показана неулучшаемость полученных оценок. Неулучшаемость понимается в том смысле, что существует функция из заданного класса и существуют абсолютные положительные константы, не зависящие от триангуляции, такие, что для любого невырожденного треугольника справедливы оценки снизу.

The paper considers Birkhoff-type triangle-based interpolation to a two-variable function by sixth-degree polynomials. Similar estimates are automatically transferred to error estimates of related finite element method. The error estimates for the given elements depend only on the decomposition diameter, and do not depend on triangulation angles. We show that the estimates obtained are unimprovable. Unimprovability is understood in a following sense: there exists function from the given class and there exist absolute positive constants independent of triangulation such that estimates from below are valid for any nondegenerate triangle.

Рассмотрено волновое уравнение с двумя пространственными и одной временной независимыми переменными и эффектом наследственности вида $$\frac{\partial^2 u}{\partial t^2}=a^2\left(\frac{\partial^2 u}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 u}{\partial y^2}\right) + f\big(x,y,t,u(x,y,t),u_t(x,y,\cdot)\big),\\u_t(x,y,\cdot)=\left\{u(x,y,t+\xi),-\tau \leqslant \xi\leqslant 0\right\}. $$На основе идеи разделения текущего состояния и функции-предыстории сконструировано семейство сеточных методов для численного решения этого уравнения. По текущему состоянию строится полный аналог известного для уравнения без запаздывания метода с факторизацией, а влияние предыстории учитывается с помощью интерполяционных конструкций. Исследован порядок локальной погрешности алгоритма. Получена теорема о сходимости и порядке сходимости методов с помощью вложения в общую разностную схему систем с последействием. Приводятся результаты расчетов тестового примера с переменным запаздыванием.

The paper presents the consideration of the wave equation with two space variables and one time variable and with heredity effect  $$\frac{\partial^2 u}{\partial t^2}=a^2\left(\frac{\partial^2 u}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 u}{\partial y^2}\right) + f\big(x,y,t,u(x,y,t),u_t(x,y,\cdot)\big),\\u_t(x,y,\cdot)=\left\{u(x,y,t+\xi),-\tau \leqslant \xi\leqslant 0\right\}. $$A family of grid methods is constructed for the numerical solution of this equation; the methods are based on the idea of separating the current state and the history function. A complete analog of the factorization method which is known for an equation without delay is constructed according to the current state. Influence of prehistory is taken into consideration by interpolation constructions. The local error order of the algorithm is investigated. A theorem on the convergence and on the order of convergence of methods is obtained by means of embedding into a general difference scheme with aftereffect. The results of calculating a test example with variable delay are presented.