Linearly Implicit Invariant-Preserving Decoupled Difference Scheme For The Rotation-Two-Component Camassa--Holm System

数学 不变(物理) 非线性系统 规范(哲学) 数学分析 质量守恒 应用数学 数学物理 政治学 量子力学 物理 法学
作者
Qifeng Zhang,Lingling Liu,Zhimin Zhang
出处
期刊:SIAM Journal on Scientific Computing [Society for Industrial and Applied Mathematics]
卷期号:44 (4): A2226-A2252 被引量:10
标识
DOI:10.1137/21m1452020
摘要

In this paper, we develop, analyze and numerically test an invariant-preserving three-level linearized implicit difference scheme for a rotation-two-component Camassa--Holm system [L. Fan, H. Gao, and Y. Liu, Adv. Math. 291 (2016), pp. 59--89], which contains strongly nonlinear terms and high-order derivative terms. We prove that the numerical scheme is uniquely solvable and second-order convergent for both the spatial and temporal discretizations. Optimal error estimates for the velocity in the $L^{\infty}$-norm and for the surface elevation in the $L^2$-norm are obtained under a suitable step-size ratio restriction based on energy analysis. In particular, the analysis for the strongly nonlinear term is carried out by splitting it into several recursive expressions. Moreover, the numerical scheme preserves at least two conservation invariants: mass and energy. Extensive numerical experiments including long time simulations for zero$/$nonzero rotation parameters demonstrate solution behavior and verify the convergence results as well as mass/energy conservation.
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