We compare the long-time error bounds and spatial resolution of finite difference methods with different spatial discretizations for the Dirac equation with small electromagnetic potentials characterized by $\varepsilon \in (0, 1]$ a dimensionless parameter. We begin with the simple and widely used finite difference time domain (FDTD) methods, and establish rigorous error bounds of them, which are valid up to the time at $O(1/\varepsilon)$. In the error estimates, we pay particular attention to how the errors depend explicitly on the mesh size $h$ and time step $\tau$ as well as the small parameter $\varepsilon$. Based on the results, in order to obtain "correct" numerical solutions up to the time at $O(1/\varepsilon)$, the $\varepsilon$-scalability (or meshing strategy requirement) of the FDTD methods should be taken as $h = O(\varepsilon^{1/2})$ and $\tau = O(\varepsilon^{1/2})$. To improve the spatial resolution capacity, we apply the Fourier spectral method to discretize the Dirac equation in space. Error bounds of the resulting finite difference Fourier pseudospectral (FDFP) methods show that they exhibit uniform spatial errors in the long-time regime, which are optimal in space as suggested by the Shannon's sampling theorem. Extensive numerical results are reported to confirm the error bounds and demonstrate that they are sharp.


翻译:我们将有限差价方法的长期误差界限和空间分辨率与Dirac方程式不同的空间离散值作比较,用小电磁潜能(以 0,1美元为单位)来比较,其特点是一个无维参数。我们从简单和广泛使用的有限差价时间域(FDTD)方法开始,确定这些方法的严格误差界限,这些界限一直有效到O(1/\varepsilon)美元。在误差估计中,我们特别注意误差如何明确取决于Mesh值(美元)和时间级(美元),以及小电磁潜能值($\varepsilon $ 美元)。根据结果,为了获得“更正”数字解决方案,直到时间用$(1/\\ varepsilon) 时间范围(美元),应当将FD方法的可缩放值(美元=O( varepsluslon) 和时间级(美元) 美元 和 美元=O( varrealislational) ralislational ral ral=x rolation rolation rolation reslation rolation rolislislislisl),我们报告, 4 dislislislal-xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx。

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