We introduce a method which provides accurate numerical solutions to fractional-in-time partial differential equations posed on $[0,T] \times \Omega$ with $\Omega \subset \mathbb{R}^d$ without the excessive memory requirements associated with the nonlocal fractional derivative operator operator. Our approach combines recent advances in the development and utilization of multivariate sparse spectral methods as well as fast methods for the computation of Gauss quadrature nodes with recursive non-classical methods for the Caputo fractional derivative of general fractional order $\alpha > 0$. An attractive feature of the method is that it has minimal theoretical overhead when using it on any domain $\Omega$ on which an orthogonal polynomial basis is already available. We discuss the memory requirements of the method, present several numerical experiments demonstrating the method's performance in solving time-fractional PDEs on intervals, triangles and disks and derive error bounds which suggest sensible convergence strategies. As an important model problem for this approach we consider a type of wave equation with time-fractional dampening related to acoustic waves in viscoelastic media with applications in the physics of medical ultrasound and outline future research steps required to use such methods for the reverse problem of image reconstruction from sensor data.


翻译:我们引入了一种方法,该方法提供了精确的数值解,用于解决在 $[0,T] \times \Omega$ 上提出的时分数偏微分方程,其中 $\Omega \subset \mathbb{R}^d$,无需使用与非局部分数求导算子相关的过多内存资源。我们的方法结合了最近在多元稀疏谱方法的发展和使用以及快速计算 Gauss 积分节点的方法所取得的进展,以及一般分数阶 $\alpha > 0$ 的 Caputo 分数导数的递归非经典方法。该方法具有的一个优点是,当在任何正交多项式基函数可用的域 $\Omega$ 上使用时,它具有最小的理论开销。我们讨论了该方法的存储需求,提出了几个数值实验,证明了该方法在细胞、三角形和圆盘上求解时分数 PDE 的性能,并推导出了误差界,建议合理的收敛策略。作为这种方法的一个重要模型问题,我们考虑了一类时间分数阶阻尼波方程,该问题与医学超声波物理学中的声波在粘弹性介质中的应用相关,并概述了使用这种方法进行传感器数据图像重建的未来研究步骤。

0
下载
关闭预览

相关内容

不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
71+阅读 · 2022年6月28日
【硬核书】矩阵代数基础,248页pdf
专知会员服务
81+阅读 · 2021年12月9日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
39+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
23+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
26+阅读 · 2019年5月18日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
16+阅读 · 2018年12月24日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
可解释的CNN
CreateAMind
17+阅读 · 2017年10月5日
【推荐】免费书(草稿):数据科学的数学基础
机器学习研究会
19+阅读 · 2017年10月1日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年6月1日
Arxiv
22+阅读 · 2022年2月4日
VIP会员
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员