In this paper, we present a novel pseudospectral (PS) method for solving a new class of initial-value problems (IVPs) of time-dependent one-dimensional fractional partial differential equations (FPDEs) with variable coefficients and periodic solutions. A main ingredient of our work is the use of the recently developed periodic RL/Caputo fractional derivative (FD) operators with sliding positive fixed memory length of Bourafa et al. [1] or their reduced forms obtained by Elgindy [2] as the natural FD operators to accurately model FPDEs with periodic solutions. The proposed method converts the IVP into a well-conditioned linear system of equations using the PS method based on Fourier collocations and Gegenbauer quadratures. The reduced linear system has a simple special structure and can be solved accurately and rapidly by using standard linear system solvers. A rigorous study of the error and convergence of the proposed method is presented. The idea and results presented in this paper are expected to be useful in the future to address more general problems involving FPDEs with periodic solutions.


翻译:本文提出了一种新颖的拟谱方法,用于解决一维时变分数阶偏微分方程(FPDE)的初值问题,且其具有周期解。我们主要使用了最近提出的周期RL / Caputo分数导数(FD)算子,其具有移动的正定常数记忆长度,由Bourafa等人[1]或其简化形式(由Elgindy[2]得到)作为自然FD算子,以准确地建模具有周期解的FPDE。所提出的方法使用基于傅里叶插值和格根鲍尔积分的拟谱(PS)方法将IVP转换为良好条件的线性方程组。缩小后的线性系统具有简单的特殊结构,并且可以通过使用标准线性系统求解器进行精确且快速的求解。本文还对提出的方法的误差和收敛性进行了严格研究。本文中提出的思想和结果预计在未来用于解决更一般的涉及具有周期解的FPDE问题。

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