关键词:
四阶Steklov问题
Maxwell特征值问题
降维格式
谱方法
误差分析
摘要:
基于全局高阶多项式逼近和降维技巧,本文提出了一种有效的谱方法算法来求解极几何区域上的四阶Steklov源问题和特征值问题以及球域上的Maxwell特征值问题,并给出了误差估计的严格证明。针对圆域上四阶Steklov源问题,利用极坐标变换和傅里叶基函数的正交性,我们首先将原问题分解为一组等价的一维四阶问题。其次,为了消除由极坐标变换引入的极点奇异性,我们推导了相应的本质极条件并定义了适当的带权Sobolev空间,并在此基础上给出了相应的弱形式和离散格式。第三,利用Lax-Milgram引理和Sobolev空间投影算子的性质,我们分别证明了弱解和逼近解的存在唯一性以及它们之间的误差估计。第四,我们构造了一组满足边界条件和极条件的基函数,并通过数值实验验证了理论分析的正确性和算法的有效性。最后,我们还将以上所提出的算法应用到圆域上四阶Steklov特征值问题上。此外,利用球坐标变换和球调和函数展开,我们还推导了球域上四阶Steklov特征值问题的降维格式,并给出相应的谱方法算法和数值实验。针对球域上Maxwell特征值问题,利用球坐标变换和向量球谐函数的正交性,我们首先将原始问题分解为两类独立的一维特征值问题,即所谓的TE模式和TM模式。对于TE模式,我们直接建立其弱形式和离散格式,并证明了逼近特征值和特征函数的误差估计。对于TM模式,我们提出了一种基于参数化方法的弱形式及其离散格式以过滤伪特征值。此外,由于TM模式是一个耦合问题,我们还构造了一组Legendre向量基函数对耦合离散系统进行数值求解。最后,我们进行了大量的数值实验,数值结果验证了理论分析的正确性和算法的有效性。