A finite element based computational scheme is developed and employed to assess a duality based variational approach to the solution of the linear heat and transport PDE in one space dimension and time, and the nonlinear system of ODEs of Euler for the rotation of a rigid body about a fixed point. The formulation turns initial-(boundary) value problems into degenerate elliptic boundary value problems in (space)-time domains representing the Euler-Lagrange equations of suitably designed dual functionals in each of the above problems. We demonstrate reasonable success in approximating solutions of this range of parabolic, hyperbolic, and ODE primal problems, which includes energy dissipation as well as conservation, by a unified dual strategy lending itself to a variational formulation. The scheme naturally associates a family of dual solutions to a unique primal solution; such `gauge invariance' is demonstrated in our computed solutions of the heat and transport equations, including the case of a transient dual solution corresponding to a steady primal solution of the heat equation. Primal evolution problems with causality are shown to be correctly approximated by non-causal dual problems.


翻译:我们开发了一种基于有限元的计算方案,用于评估在一维空间和时间内解决线性热传导和输运PDE以及欧拉刚体绕固定点旋转的非线性ODE的基于对偶的变分方法。该表述使得把初值-(边界)值问题转化为表示上述问题中适当设计的对偶函数的欧拉 – 拉格朗日方程在(空间)-时间域中的退化椭圆边界值问题。我们展示了在逼近这一范围的抛物线,双曲线和ODE原始问题(其中包括能量耗散和守恒)方面取得了合理的成功。这种方法适用于变分形式,并自然地将一系列双重解与一个唯一的原始解联系起来;这种“规范不变性”在我们计算的热传导和输运方程的解中得到了证实,包括临界双重解对应于热方程的稳定原始解的情况。原始演化问题与因果关系被证明可以通过非因果双重问题正确近似。

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