Splines, biharmonic operator and approximate eigenvalue

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The biharmonic operator plays a central role in a wide array of physical models, such as elasticity theory and the streamfunction formulation of the Navier–Stokes equations. Its spectral theory has been extensively studied. In particular the one-dimensional case (over an interval) serves as the basic model of a high order Sturm-Liouville problem. The need for corresponding numerical simulations has led to numerous works. This review focuses on a discrete biharmonic calculus. The primary object of this calculus is a high-order compact discrete biharmonic operator  (DBO).   The DBO is constructed in terms of the discrete Hermitian derivative.  The surprising strong connection between cubic spline functions (on an interval) and the DBO is recalled.   In particular the kernel of the inverse of the discrete operator is (up to scaling) equal to the  grid evaluation of the  kernel of \( \Big[\Big(\frac{d}{dx}\Big)^4\Big]^{-1}. \)  This fact entails the conclusion that the  eigenvalues of the DBO converge (at an “optimal” \(O(h^4)\) rate) to the continuous ones. Another consequence is the validity of a comparison principle. It is well known that there is no maximum principle for the fourth-order equation.  However, a positivity result is recalled, both  for the continuous and the discrete biharmonic equation, claiming that in both cases the kernels are order preserving.

About the authors

Matania Ben-Artzi

The Hebrew University

Author for correspondence.
Email: mbartzi@math.huji.ac.il
Jerusalem, Israel

References

  1. Ahlberg J.H., Nilson E.N., Walsh J.L. The Theory of Splines and Their Applications. -New York-London: Academic Press, 1967.
  2. Andrew A.L., Paine J.W. Correction of finite element estimates for Sturm-Liouville eigenvalues// Numer. Math. -1986.-50.-C. 205-215.
  3. Babu˘ska I., Osborn J. Eigenvalue problems// В сб.: «Handbook of Numerical Analysis, Vol. II». - Amsterdam, etc.: Elsevier, 1991.- С. 641-787.
  4. Ben-Artzi M., Croisille J.-P., Fishelov D. Navier-Stokes Equations in Planar Domains.-London : Imperial College Press, 2013.
  5. Ben-Artzi M., Croisille J.-P., Fishelov D., Katzir R. Discrete fourth-order Sturm-Liouville problems// IMA J. Numer. Anal. -2018.-38.-C. 1485-1522.
  6. Ben-Artzi M., Katriel G. Spline functions, the biharmonic operator and approximate eigenvalues// Numer. Mathematik.- 2019.- 141.- C. 839-879.
  7. Boumenir A. Sampling for the fourth-order Sturm-Liouville differential operator// J. Math. Anal. Appl. - 2003.-278.- C. 542-550.
  8. Caudill Jr. L.F., Perry P.A., Schueller A.W. Isospectral sets for fourth-order ordinary differential operators// SIAM J. Math. Anal.- 1998.- 29.-C. 935-966.
  9. Chawla M.M. A new fourth-order finite-difference method for computing eigenvalues of fourth-order twopoint boundary-value problems// IMA J. Numer. Anal.- 1983.- 3.-C. 291-293.
  10. Davies E.B. Spectral Theory and Differential Operators.-Cambridge: Cambridge University Press, 1995.
  11. C. de Boor A Practical Guide to Splines-Revised Edition. -New York: Springer, 2001.
  12. de Boor C., Swartz B. Collocation approximation to eigenvalues of an ordinary differential equation: The principle of the thing// Math. Comp. -1980.- 35.- C. 679-694.
  13. Evans L.C. Partial Differential Equations.-Providence: Am. Math. Soc., 1998.
  14. Everitt W.N. The Sturm-Liouville problem for fourth-order differential equations// Q. J. Math.- 1957.- 8.- C. 146-160.
  15. Fishelov D., Ben-Artzi M., Croisille J.-P. Recent advances in the study of a fourth-order compact scheme for the one-dimensional biharmonic equation// J. Sci. Comput. -2012.- 53.-C. 55-79.
  16. Grunau H.-C., Robert F. Positivity and almost positivity of biharmonic Green’s functions under Dirichlet boundary conditions// Arch. Ration. Mech. Anal.- 2010.- 196.-C. 865-898.
  17. Kato T. Perturbation Theory for Linear Operators.-New York: Springer, 1980.
  18. Kato T. Variation of discrete spectra// Commun. Math. Phys.- 1987.- 111.-C. 501-504.
  19. Lou Z.M., Bialecki B., Fairweather G. Orthogonal spline collocation methods for biharmonic problems// Numer. Math.- 1998.- 80.-C. 267-303.
  20. Markus A.S. The eigen- and singular values of the sum and product of linear operators// Russ. Math. Surv.- 1964.- 19.-C. 91-120.
  21. Munk W.H. On the wind-driven ocean circulation// J. Meteorol.- 1950.- 7.-C. 80-93.
  22. Pipher J., Verchota G. A maximum principle for biharmonic functions in Lipschitz and C1 domains// Comment. Math. Helv. -1993.-68.- C. 384-414.
  23. Prenter P.M. Splines and Variational Methods. -New York: Wiley, 1975.
  24. Rattana A., B¨ockmann C. Matrix methods for computing eigenvalues of Sturm-Liouville problems of order four// J. Comp. Applied Math. -2013.- 249.-C. 144-156.
  25. Schro¨der J. On linear differential inequalities// J. Math. Anal. Appl. - 1968.- 22.- C. 188-216.
  26. Spence A. On the convergence of the Nystro¨m method for the integral equation eigenvalue problem// Numer. Math.- 1975.- 25.-C. 57-66.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

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».