We propose and analyze a monotone finite element method for an elliptic distributed optimal control problem constrained by a convection-diffusion-reaction equation in the convection-dominated regime. The method is based on the edge-averaged finite element (EAFE) scheme, which is known to preserve the discrete maximum principle for convection-diffusion problems. We show that the EAFE discretization inherits the monotonicity property of the continuous problem and consequently preserves the desired-state bounds at the discrete level, ensuring that the numerical optimal state remains stable and free of nonphysical oscillations. The discrete formulation is analyzed using a combination of the EAFE consistency result and a discrete inf-sup condition, which together guarantee well-posedness and yield the optimal convergence order. Comprehensive numerical experiments are presented to confirm the theoretical findings and to demonstrate the robustness of the proposed scheme in the convection-dominated regimes.


翻译:本文针对对流占优区域中由对流-扩散-反应方程约束的椭圆分布最优控制问题,提出并分析了一种单调有限元方法。该方法基于边缘平均有限元(EAFE)格式,该格式已知能保持对流-扩散问题的离散极大值原理。我们证明了EAFE离散继承了连续问题的单调性,进而在离散层面保持了期望状态边界,确保数值最优状态保持稳定且无物理失真的振荡。通过结合EAFE一致性结果与离散inf-sup条件,对离散格式进行了分析,二者共同保证了问题的适定性并得到了最优收敛阶。文中提供了全面的数值实验,以验证理论结果并展示所提格式在对流占优区域中的鲁棒性。

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