数学 > 数值分析
[提交于 2024年12月2日
(v1)
,最后修订 2025年3月1日 (此版本, v2)]
标题: 基于对偶的变分公式求解偏微分方程:B样条和机器学习近似器的应用
标题: Variational formulation based on duality to solve partial differential equations: Use of B-splines and machine learning approximants
摘要: 许多偏微分方程(PDEs),如流体力学中的Navier--Stokes方程、固体中的非弹性变形以及瞬态抛物线和双曲方程,没有精确的原始变分结构。最近,提出了一种基于对偶(拉格朗日乘子)场的变分原理。这种方法的核心思想是将给定的PDEs视为约束条件,并引入一个任意选择的具有强凸性性质的辅助势能以进行优化。在要求拉格朗日函数相对于原始变量的梯度消失的情况下,得到从对偶场到原始场的映射。这导致需要在对偶变量上满足狄利克雷边界条件的情况下最小化一个凸的对偶泛函,保证即使那些在原始形式中不具有变分结构的PDEs也可以通过变分原理求解。在对偶场的狄利克雷边界条件下,对偶泛函的一阶变分为原始PDE问题的弱形式,并包含了从对偶到原始变量的变换。我们推导了线性、一维、瞬态对流-扩散方程的对偶弱形式。采用伽辽金离散化方法,试验函数和测试函数选择为浅层神经网络与RePU激活函数或B样条的线性组合;相应的刚度矩阵是对称的。对于瞬态问题,使用时空伽辽金实现,采用张量积B样条作为近似函数。给出了稳态和瞬态对流-扩散方程以及瞬态热传导的数值结果。所提出的方法对于常微分方程(ODEs)和偏微分方程(PDEs)具有良好的准确性,并在稳态对流-扩散问题中建立了$L^2$范数和$H^1$半范数的收敛率。
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