A priori error estimates of the local discontinuous Galerkin method on staggered grids for solving a parabolic equation for the homogeneous Dirichlet problem

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

In this paper, we present a priori error analysis of the solution of a homogeneous boundary value problem for a second-order differential equation by the Discontinuous Galerkin method on staggered grids. The spatial discretization is constructed using an appeal to a mixed finite element formulation. Second-order derivatives cannot be directly matched in a weak variational formulation using the space of discontinuous functions. For lower the order, the components of the flow vector are considered as auxiliary variables of the desired second-order equation. The approximation is based on staggered grids. The main grid consists of triangles, the dual grid consists of median control volumes around the nodes of the triangular grid. The approximation of the desired function is built on the cells of the main grid, while the approximation of auxiliary variables is built on the cells of the dual grid. To calculate the flows at the boundary between the elements, a stabilizing parameter is used. Moreover, the flow of the desired function does not depend on auxiliary functions, while the flow of auxiliary variables depends on the desired function. To solve this problem, the necessary lemmas are formulated and proved. As a result, the main theorem is formulated and proved, the result of which is a priori estimates for solving a parabolic equation using the discontinuous Galerkin method. The main role in the analysis of convergence is played by the estimate for the negative norm of the gradient. We show that for stabilization parameter of first order, the $L^2$-norm of the solution is of order $k+{1}/{2}$, if stabilization parameter of order $h^{-1}$ is taken, the order of convergence of the solution increases to $k+1$, when polynomials of total degree at least $k$ are used.

About the authors

Ruslan V. Zhalnin

Ogarev Mordovia State University

Candidate of physico-mathematical sciences, Associate professor

Victor Fedorovich Masyagin

Ogarev Mordovia State University

Email: vmasyagin@gmail.com
Candidate of physico-mathematical sciences, no status

Elizaveta Evgenievna Peskova

Ogarev Mordovia State University

without scientific degree, Scientific Employee

Vladimir Fedorovich Tishkin

Keldysh Institute of Applied Mathematics of Russian Academy of Sciences

Email: tishkin@imamod.ru, v.f.tishkin@mail.ru
Doctor of physico-mathematical sciences, Professor

References

  1. Масягин В. Ф., Жалнин Р. В., Тишкин В. Ф., "О применении разрывного конечно-элементного метода Галеркина для решения двумерных уравнений диффузионного типа на неструктурированных сетках", Журнал СВМО, 15:2 (2013), 59-65
  2. Жалнин Р. В., Ладонкина М. Е., Масягин В. Ф., Тишкин В. Ф., "Об одном способе решения уравнений диффузионного типа с помощью разрывного метода Галeркина на неструктурированной сетке", Журнал СВМО, 16:2 (2014), 7-13
  3. Жалнин Р. В., Ладонкина М. Е., Масягин В. Ф., Тишкин В. Ф., "Решение трехмерных уравнений теплопроводности с помощью разрывного метода Галeркина на неструктурированных сетках", Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 19:3 (2015), 523-533
  4. Жалнин Р. В., Ладонкина М. Е., Масягин В. Ф., Тишкин В. Ф., "Решение задач о нестационарной фильтрации вещества с помощью разрывного метода Галеркина на неструктурированных сетках", Ж. вычисл. матем. и матем. физ., 56:6 (2016), 989-998
  5. Жалнин Р. В., Ладонкина М. Е., Масягин В. Ф., Тишкин В. Ф., "Применение разрывного метода Галеркина для решения параболических задач в анизотропных средах на треугольных сетках", Вестн. ЮУрГУ. Сер. Матем. моделирование и программирование, 9:3 (2016), 144-151
  6. Жалнин Р. В., Масягин В. Ф., "Априорные оценки для метода Галеркина с разрывными базисными функциями на разнесенных сетках для однородной задачи Дирихле", Вестн. ЮУрГУ. Сер. Матем. моделирование и программирование, 11:2 (2018), 29-43
  7. Cockburn B., Shu C.-W., "The local discontinuous Galerkin finite element method for convection-diffusion systems", SIAM J. Numer. Anal., 35:6 (1998), 2440-2463
  8. Bassi F., Rebay S., "A High-Order Accurate Discontinuous Finite Element Method for the Numerical Solution of the Compressible Navier-Stokes Equations", J. Comp. Phys., 131:2 (1997), 267-279
  9. Cockburn B., Hou S., Shu C.-W., "TVB Runge-Kutta local projection discontinuous Galerkin finite element method for conservation laws IV: The multidimensional case", Math. Comp., 54:190 (1990), 545-581
  10. Cockburn B., Lin S.-Y., Shu C.-W., "TVB Runge-Kutta local projection discontinuous Galerkin finite element method for conservation laws III: One dimensional systems", J. Comput. Phys., 84:1 (1989), 90-113
  11. Cockburn B., Shu C.-W., "TVB Runge-Kutta local projection discontinuous Galerkin finite element method for conservation laws. II. General framework", Math. Comp., 52:186 (1989), 411-435
  12. Cockburn B., Lin S.-Y., Shu C.-W., "The Runge-Kutta local projection -discontinuous Galerkin method for scalar conservation laws", ESAIM: Mathematical Modelling and Numerical Analysis, 25:3 (1991), 337-361
  13. Cockburn B., Shu C.-W., "The Runge-Kutta discontinuous Galerkin finite element method for conservation laws V: Multidimensional systems", J. Comput. Phys., 141:2 (1998), 199-224
  14. Ciarlet P. G., The Finite Element Method for Elliptic Problems, Classics in Applied Mathematics, SIAM, Philadelphia, 2002, xxiii+529 pp.
  15. Castillo P., Cockburn B., Perugia I., Schötzau D., "An a priory error analysis of the local discontinuous Galerkin method for elliptic problems", SIAM J. Numer. Anal., 38:5 (2000), 1676-1706
  16. Thomee V., Galerkin Finite Element Methods for Parabolic Problems, Springer Series in Computational Mathematics, 25, Springer, Berlin, 1997, x+302 pp.
  17. Rivière B., Discontinuous Galerkin Methods for Solving Elliptic and Parabolic Equations, Frontiers in Applied Mathematics, SIAM, Philadelphia, 2008, xxii+178 pp.
  18. Pany A., Yadav S., "An -local discontinuous Galerkin method for parabolic integro-differential equations", J. Sci. Comput., 46:1 (2011), 71-99
  19. Babuška I., Suri M., "The version of the finite element method with quasiuniform meshes", ESAIM: Mathematical Modelling and Numerical Analysis, 21:2 (1987), 199-238
  20. Даутов Р. З., Федотов Е. М., "Абстрактная теория HDG-схем для квазилинейных эллиптических уравнений второго порядка", Ж. вычисл. матем. и матем. физ., 54:3 (2014), 463-480

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2020 Samara State Technical University

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».