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谱方法是求解微分方程数值解的重要方法之一,在很多领域都得到了广泛的应用,但是在实际应用中还是受到了诸多因素的制约,如不能灵活的应用于复杂区域的计算.对于高维问题,计算量仍然很大,其导出的代数方程组的规模也很大,给求解造成了很大的困难.对于复杂区域问题,解决的办法之一就是将区域分解成若干个子区域,在每个子区域上使用谱方法,即谱元法;对于高维问题,解决的方法之一就是使用交替方向隐式方法(Alternating Direction Implicit Method,简称ADI).ADI方法把高维问题转化一系列独立的低维问题,从而降低原问题的规模,并且可以实现高度的并行化计算.
Schr(?)dinger方程是量子力学最基本的方程.在高能物理,非线性光学等领域都有着非常重要的应用.本文以Schr(?)dinger方程为模型,将区域分裂方法和交替方向隐式方法结合起来,求解二维微分方程.
本文的主要工作如下:
首先,时间方向采用Crank-Nicolson格式,本文建立了一维线性Schr(?)dinger方程的全离散Legendre-Galerkin谱元格式,并证明了格式在L2和H1意义下的稳定性和收敛性.由于谱元法中利用了区域分裂算法,算法的并行化显得尤为重要.根据算法的特点,选取适当的基函数,本文详细描述了算法的并行化求解过程.时间方向采用Crank-Nicolson蛙跳格式,本文还给出了相应的一维非线性Schr(?)dinger方程的全离散Legendre-Galerkin谱元格式.
其次,时间方向采用Crank-Nicolson(Crank-Nicolson蛙跳)格式,并利用算子分裂技巧,本文提出了一种交替方向Legendre-Galerkin谱元格式求解二维线性(非线性)Schr(?)dinger方程数值解.该算法的最大优点在于其计算的高度并行化,并且可以减少存储,这也是本文最重要的结果.该方法利用交替方向隐式方法(ADI)把二维问题转化为一系列独立的一维方程组,在求解一维方程组的过程中,再利用一维问题的区域分裂算法思想,把较大的方程组转化成四个更小规模的方程组,并且可以并行求解.对于线性情形,本文证明了该方法的最优H1误差估计.
最后本文做了充分的数值实验,由实验结果可以看出本文的方法在时间方向上具有二阶精度,空间方向上具有谱精度,和理论分析相吻合.通过单区域方法和多区域方法的比较还可以看出,多区域方法在计算量和计算精度上都具有一定的优势.