1. 研究的问题
考虑如下的时间分数阶Fokker-Planck方程(FFPE):
(1.1)
初始条件和边值条件为
(1.2)
其中
,
为正常数,
为给定函数,方程(1.1)中的分数阶导数为Riemann-Liouville分数阶导数:
,其中
是Gamma函数。
方程(1.1)常用来模拟受外力场作用下的反常扩散(如 [1] ),
表示广义扩散系数,f表示外力场。方程(1.1)可改写为其等价形式:
(1.3)
其中
表示
阶Caputo分数阶导数:
。
对于分数阶Fokker-Planck方程的求解,已有数值方法,大多是针对f是常数的函数情况(参见 [2] - [10] )。其中对
情形,Jiang [3] 对Chen等 [5] 中的数值格式给出了稳定性和收敛性的证明;Vong和Wang [10] 开发了一种高阶差分格式求解时间分数阶Fokker-Planck方程,并获得了它的稳定性和收敛性。对于
(变外力场)情况,已有的数值方法非常少,我们发现Le等 [11] 研究了两种方法,第一种是时间上连续(在空间中使用分段线性Galerkin有限元方法离散化),第二种是空间连续(采用类似于经典隐式欧拉方法的时间步长方法),并证明它的稳定性和收敛性。
有限体积法在成功应用于求解整数阶方程后,现已开始应用于求解分数阶方程,如 [12] 对空间分数阶方程采用了有限体积方法; [13] 利用有限体积法数值求解时间–空间分数阶方程; [14] 则对二维时间分数阶偏微分方程进行有限体积法研究(其中
)。
我们研究了一种求解(1.3)的FV方法,在空间上利用对流项的二次向上差分格式离散,时间上利用
近似离散。数值实验结果表明该方法在空间上为二阶收敛。
本文中,假定解
充分光滑,
满足如下Lipschitz条件,其中C表示正常数,与网格大小无关。
(1.4)
2. 离散
设N,L为正整数,取空间步长
,时间步长
。区间
上
等分,分点为
,得到N个小区间
;在区间
上L等分,分点为
。为了方便,仅取f在点
处的值,记
。
在方程(1.3)中取
,在第i个控制体积上即区间
上对方程两边求积得到
(2.1)
将
记做
,(2.1)式左边可以改写为:
(2.2)
(2.3)式中第一个等式应用中矩形公式,第二个等式应用了
近似,其中
,(见 [15] [16] ),其中误差项
(2.3)
(2.4)
根据式(2.3)和(2.4),我们可以得到截断误差
(2.1)式右侧第一项可以根据中点差分公式写作
(2.5)
其中
(2.6)
根据泰勒公式,容易得到
(2.7)
式(2.3)右侧第二项与对流速度
有关,我们利用对流项的二次向上差分即QUICK格式
(2.8)
其中
,
(2.9)
(2.10)
式子(2.10)中是利用泰勒公式得到的,据此可以将(2.1)式右侧改写为
(2.11)
其中
我们很容易得到
.
将(2.2)、(2.5)和(2.11)代入(2.1)式可以得到
(2.12)
,其中
。我们用
近似
,由(2.12)式我们可以得到如下的有限体积法(FV):
(2.13)
边界条件和初始条件为
(2.14)
其中
是直接在(2.4)式中用W替换
,
是直接在(2.8)、(2.9)和(2.11)中用W替换
。
有限体积法(FV)的矩阵形式如下
(2.15)
,
,
,
是单位矩阵。
是(2.13)式右侧第一项系数矩阵,
是(2.13)式右侧第二项系数矩阵,矩阵
如下:
矩阵A的第1列
(2.16)
矩阵A的第N列
(2.17)
矩阵A的第i列
(2.18)
矩阵B的第1列
(2.19)
矩阵B的第
列
(2.20)
(2.21)
矩阵B的第N列
(2.22)
矩阵B的第j列
列
(2.23)
(2.24)
矩阵
(2.25)
(2.26)
3. 数值实验及结论
本小节将利用我们设计的有限体积法解决{(1.1)(1.2)}问题。考虑下列具有精确解的方程
(3.1)
初始条件和边值条件为
,
,
,其中
(3.2)
并且
,
。此方程的精确解为
。
我们定义空间收敛阶如下:
空间收敛阶的数值结果列于表1~表3中。数值实验表明该方法空间上可以达到二阶收敛。

Table 1. Convergence rate for space with a = 0.2, L = 5000
表1. 空间收敛阶a = 0.2,L = 5000

Table 2. Convergence rate for space with a = 0.5, L = 5000
表2. 空间收敛阶a = 0.5,L = 5000

Table 3. Convergence rate for space with a = 0.8, L = 5000
表3. 空间收敛阶a = 0.8,L = 5000
致谢
感谢我的导师姜英军教授和师兄周帅虎、师姐黄兰对我论文完成中的悉心指导和帮助。
基金项目
国家自然科学基金(11571053)。