A second-order accurate, original energy dissipative numerical scheme for chemotaxis and its convergence analysis

数学 耗散系统 趋同(经济学) 应用数学 方案(数学) 趋化性 订单(交换) 数值分析 数学分析 物理 经济增长 生物化学 量子力学 经济 受体 化学 财务
作者
Jie Ding,Cheng Wang,Shenggao Zhou
出处
期刊:Mathematics of Computation [American Mathematical Society]
标识
DOI:10.1090/mcom/4123
摘要

This paper proposes a second-order accurate numerical scheme for the Patlak–Keller–Segel system with various mobilities for the description of chemotaxis. Formulated in a variational structure, the entropy part is novelly discretized by a modified Crank-Nicolson approach so that the solution to the proposed nonlinear scheme corresponds to a minimizer of a convex functional. A careful theoretical analysis reveals that the unique solvability and positivity-preserving property could be theoretically justified. More importantly, such a second order numerical scheme is able to preserve the dissipative property of the original energy functional, instead of a modified one. To the best of our knowledge, the proposed scheme is the first second-order accurate one in literature that could achieve both the numerical positivity and original energy dissipation. In addition, an optimal rate convergence estimate is provided for the proposed scheme, in which rough and refined error estimate techniques have to be included to accomplish such an analysis. Ample numerical results are presented to demonstrate robust performance of the proposed scheme in preserving positivity and original energy dissipation in blowup simulations.
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