A numerical approximation for the Caputo-Hadamard derivative and its application in time-fractional variable-coefficient diffusion equation

哈达玛变换 可变系数 分数阶微积分 数学 扩散 变量(数学) 扩散方程 数学分析 衍生工具(金融) 应用数学 物理 热力学 工程类 公制(单位) 运营管理 金融经济学 经济
作者
Zhen Wang,Luhan Sun
出处
期刊:Discrete and Continuous Dynamical Systems - Series S [American Institute of Mathematical Sciences]
卷期号:17 (8): 2679-2705 被引量:4
标识
DOI:10.3934/dcdss.2024027
摘要

We propose an L1-type scheme on nonuniform meshes to approximate the Caputo-Hadamard derivative. While this scheme shares a similar structure with the logarithmic L1 formula, it differs in the selection of mesh points, making it more applicable. Next, we consider the numerical solution of a class of variable-coefficient diffusion equation involving the time Caputo-Hadamard derivative. To provide a theoretical foundation for the design of the numerical scheme, we first study the regularity of the solution to this equation. Then, we discretize the time-fractional derivative using the derived L1 scheme and approximate the spatial derivative by the local discontinuous Galerkin (LDG) finite element method, resulting in a fully discrete scheme. We prove the stability and convergence of this scheme and validate its performance through numerical experiments.

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