Phương pháp xấp xỉ số cho các phương trình khuếch tán phân số thông qua phương pháp Chebyshev spectral-tau

E. H. Doha1, A. H. Bhrawy, S. S. Ezz-Eldien2
1Department of Mathematics, Faculty of Science, Cairo University, Giza 12613, Egypt
2Department of Basic Science, Institute of Information Technology, Modern Academy, Cairo, 11931, Egypt

Tóm tắt

Tóm tắtTrong bài báo này, một lớp các phương trình khuếch tán phân số với các hệ số biến đổi được xem xét. Một kỹ thuật tau phổ chính xác và hiệu quả cho việc giải các phương trình khuếch tán phân số một cách số được đề xuất. Phương pháp này dựa trên xấp xỉ tau Chebyshev cùng với ma trận vận hành Chebyshev của phân tích phân số Caputo. Cách tiếp cận này có ưu điểm là giảm vấn đề về việc giải một hệ phương trình đại số, mà sau đó có thể được giải bằng bất kỳ kỹ thuật số tiêu chuẩn nào. Chúng tôi áp dụng phương pháp chung này để giải bốn ví dụ cụ thể. Trong mỗi ví dụ được xem xét, kết quả số cho thấy rằng phương pháp được đề xuất có độ chính xác cao và hiệu quả trong việc giải các phương trình khuếch tán phân số phụ thuộc theo thời gian.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

D. Baleanu, K. Diethelm, E. Scalas, J.J. Trujillo, Fractional calculus models and numerical methods (Series on Complexity, Nonlinearity and Chaos, World Scientific Publishing, New York, 2012)

D. Baleanu, J.H. Asad, I. Petras, Romanian Reports on Physics 64, 907 (2012)

M. Dalir, M. Bashour, Applied Mathematical Sciences 4, 1021 (2010)

S. Das, Functional Fractional Calculus for System Identification and Controls (Springer, New York, 2008)

I. Podlubny, Fractional Differential Equations (Academic Press Inc., San Diego, CA, 1999)

H. Jafari, M. Saeidy, D. Baleanu, Cent. Eur. J. Phys. 10, 76 (2012)

J. Deng, L. Ma, Appl. Math. Lett. 23, 676 (2010)

A. A. Kilbas, H.M. Srivastava, J.J. Trujillo, Theory and Applications of Fractional Differential Equations (Elsevier, San Diego, 2006)

C. G. Li, M. Kosti, M. Li, Sergey Piskarev, Fract. Calc. Appl. Anal. 15, 639 (2012)

S Salahshour, T Allahviranloo, S Abbasbandy, D Baleanu, Advan. Diff. Equ. 2012, 112 (2012)

C. Canuto, M.Y. Hussaini, A. Quarteroni, T.A. Zang, Spectral Methods in Fluid Dynamics (Springer-Verlag, New York, 1989)

A. H. Bhrawy, A.S. Alofi, S.S. Ezz-Eldien, Appl. Math. Lett. 24, 2146 (2011)

E. H. Doha, A.H. Bhrawy, S.S. Ezz-Eldien, Appl. Math. Model. 35, 5662 (2011)

A. H. Bhrawy, M.M. Al-Shomrani, Advances in Difference Equations 2012, 8 (2012)

C. Li, F. Zeng, F. Liu, Fractional Calculus and Applied Analysis 15, 383 (2012)

F. Ghoreishi, S. Yazdani, Comput. Math. Appl. 61, 30 (2011)

A. Saadatmandi, M. Dehghan, Comput. Math. Appl. 59, 1326 (2010)

E. H. Doha, A.H. Bhrawy, S.S. Ezz-Eldien, Comput. Math. Appl. 62, 2364 (2011)

E. H. Doha, A.H. Bhrawy, S.S. Ezz-Eldien, Appl. Math. Model. 36, 4931 (2012)

A. H. Bhrawy, M.M. Tharwat, A. Yildirim, Appl. Math. Modell. 37, 4245 (2013)

A. H. Bhrawy, A.S. Alofi, Appl. Math. Lett. 26, 25 (2013)

A. H. Bhrawy, M.A. Alghamdi, T.M. Taha, Advances in Difference Equations 2012, 179 (2012)

K. Diethelm, N.J. Ford, BIT 42, 490 (2002)

F. I. Taukenova, M. Kh. Shkhanukov-Lafishev, Comput. Math. Math. Phys. 46, 1785 (2006)

S. Karimi Vanani, A. Aminataei, Comput. Math. Appl. 62, 1075 (2011)

X. C. Li, W. Chen, The European Physical Journal Special Topics 193, 221 (2011)

A. K. Golmankhaneh, T. Khatuni, N. A. Porghoveh, D. Baleanu, Cent. Eur. J. Phys. 10, 966 (2012)

O. P. Agrawal, Nonlinear Dynamics 29, 145 (2002)

R. L. Magin, Fractional Calculus in Bioengineering (Begell House Publisher., Inc., Connecticut, 2006)

R. Metzler, J. Klafter, Physics Reports 339, 1 (2000)

J. Sabatier, O.P. Agrawal, J.A.T. Machado, Advances in Fractional Calculus: Theoretical Developments and Applications in Physics and Engineering (Springer, Netherlands, 2007)

E. Scalas, R. Gorenflo, F. Mainardi, Physica A: Statistical Mechanics and its Applications 284, 376 (2000)

C. Tadjeran, M.M. Meerschaert, H.-P. Scheffler, J. Comput. Phys. 213, 205 (2006)

M. Cui, J. Comput. Phys. 228, 7792 (2009)

A. Saadatmandi, M. Dehghan, Comput. Math. Appl. 62, 1135 (2011)

S. Shen, F. Liu, ANZIAM J. 46, 871 (2005)

Z. Ding, A. Xiao, M. Li, J. Comput. Appl. Math. 233, 1905 (2010)

F. Liu, P. Zhuang, K. Burrage, Comput. Math. Appl. 64, 2990 (2012)

C. Celik, M. Duman, Journal of Computational Physics 231, 1743 (2012)

E. Sousa, J. Comput. Phys. 228, 4038 (2009)

L. Su, W. Wang, Z. Yang, Phys. Lett. A 373, 4405 (2009)

E. L. Ortiz, The tau method, SIAM J. Numer. Anal. Optim. 12, 480 (1969)

E. L. Ortiz, H. Samara, Comput. Math. Appl. 10, 5 (1984)

M. Caputo, J. Roy Austral. Soc. 13, 529 (1967)

K. Miller, B. Ross, An Introduction to the Fractional Calculus and Fractional Differential Equations (John Wiley & Sons Inc., New York, 1993)

E. Sousa, Comput. Math. Appl. 62, 938 (2011)