A Unified Framework on the Original Energy Laws of Three Effective Classes of Runge–Kutta Methods for Phase Field Crystal Type Models

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作者
Xuping Wang,Xuan Zhao,Hong-lin Liao
出处
期刊:SIAM Journal on Numerical Analysis [Society for Industrial and Applied Mathematics]
卷期号:63 (4): 1808-1832 被引量:4
标识
DOI:10.1137/24m1701770
摘要

.The main theoretical obstacle to establishing the original energy dissipation laws of Runge–Kutta methods for phase field equations is verifying the maximum norm boundedness of the stage solutions without assuming global Lipschitz continuity of the nonlinear bulk. We present a unified theoretical framework for the energy stability of three effective classes of Runge–Kutta methods, including the additive implicit-explicit Runge–Kutta, explicit exponential Runge–Kutta, and corrected integrating factor Runge–Kutta methods, for the Swift–Hohenberg and phase field crystal models. By the standard discrete energy argument, it is proven that the three classes of Runge–Kutta methods preserve the original energy dissipation law if the associated differentiation matrices are positive definite. Our main tools include the differential form with the associated differentiation matrix, the discrete orthogonal convolution kernel, and the principle of mathematical induction. Many existing Runge–Kutta methods in the literature are revisited by evaluating the lower bound on the minimum eigenvalues of the associated differentiation matrices. Our theoretical approach paves a new way toward the internal nonlinear stability of Runge–Kutta methods for dissipative semilinear parabolic problems.KeywordsSwift–Hohenberg equationphase field crystal equationRunge–Kutta methodsdifferential form with differentiation matrixuniform boundedness of solutionsoriginal energy lawMSC codes35K3035K5565M0665M1265T40
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