Numerical Approximation of Semilinear Subdiffusion Equations with Nonsmooth Initial Data

数学 点式的 李普希茨连续性 离散化 数学分析 分段 数值分析 分段线性函数 非线性系统 正交(天文学) 应用数学 时间导数 反向欧拉法 量子力学 电气工程 物理 工程类
作者
Mariam Al-Maskari,Samir Karaa
出处
期刊:SIAM Journal on Numerical Analysis [Society for Industrial and Applied Mathematics]
卷期号:57 (3): 1524-1544 被引量:39
标识
DOI:10.1137/18m1189750
摘要

We consider the numerical approximation of a semilinear fractional order evolution equation involving a Caputo derivative in time of order $\alpha\in (0, 1)$. Assuming a Lipschitz continuous nonlinear source term and an initial data $u_0\in \dot H^\nu(\Omega)$, $\nu\in [0,2]$, we discuss existence and stability and provide regularity estimates for the solution of the problem. For a spatial discretization via piecewise linear finite elements, we establish optimal $L^2(\Omega)$-error estimates for cases with smooth and nonsmooth initial data, extending thereby known results derived for the classical semilinear parabolic problem. We further investigate fully implicit and linearized time-stepping schemes based on a convolution quadrature in time generated by the backward Euler method. Our main result provides pointwise-in-time optimal $L^2(\Omega)$-error estimates for both numerical schemes. Numerical examples in one- and two-dimensional domains are presented to illustrate the theoretical results.
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