2011年9月 广西师范学院学报:自然科学版 Sep.2011 第28卷第3期 Journal of Guangxi Teachers Education University:Natural Science Edition V01.28 NO.3 文章编号:1002—8743(2011)03—0001—05 紧积分算子特征值无网格Galerkin算法 胡波,吴伟芬,隆广庆 (广西师范学院数学科学学院,广西南宁530023) 摘 要:将无网格Galerkin算法应用到紧积分算子特征值计算中.给出了MLS的基本过程以及无网格Galer. kin算法的一般理论,并讨论了无网格Galerkin算法求解紧积分算子特征值问题的误差分析,最后给出特征值及特 征向量在该算法下的收敛阶. 关键词:特征值问题;紧积分算子;MLS;无网格 中图分类号:O175.3 文献标识码:A 1 引 言 紧积分算子特征值问题在数学、物理以及工程等领域有着很广泛的应用,因此其数值计算方法一直 是计算数学领域的一个研究热点. 目前普遍使用的求解紧积分算子特征值问题的数值方法主要有有限元方法和边界元方法等,这两 种方法无一例外地需要依赖于一个预先定义的通过节点连接在一起的网格或单元信息,因此在进行自 适应分析时都需要重新划分网格.为解决这个问题,以小波函数为基础的多尺度算法应运而生,但是用 这种方法求解紧积分算子特征值问题时所需计算量太大,虽然通过快速小波算法得到了极大的改善,但 是相比较而言计算量仍然很大.产生上述问题的根源在于这些线性系统方程的形成利用了与节点密切 相关的单元或网格信息,为克服这些困难自然产生了在数值处理过程中摆脱单元或网格的想法,在离散 节点上建立局部支集或具有紧支特性的函数来构造近似函数的无网格方法由此形成.无网格方法不需 要预先建立网格,而且在求解过程中离散得到的系数矩阵阶数很小,从而有效地解决了上述问题. 祝家麟等最先在文献[1]中用网格Galerkin方法求解积分方程,本文将网格Galerkin算法应用到紧 积分算子特征值计算中,通过理论证明得到了特征值和特征向量的收敛阶,说明无网格Galerkin算法求 解紧积分算子特征值问题可行、有效. 2 预备知识 2.1特征值问题的基本知识 设 : —X的紧积分算子.考虑特征值问题:即求特征向量 ∈ 及特征值 ∈e满足 =Au,Il“I}=1, (2.1) 其中x=L (E), (s)= K( , )“( )d ,内积记为( , )= “(z) (z)d ,范数为 I= . 收稿日期:2011—07—06 *基金项目:国家自然科学基金(11061008);广西自然科学基金(2011GXNSFA018128);2010年广西高校优秀人才资 助计划;广西研究生教育创新计划项目(2O101060307OlM06,2011106030703M01) 作者简介:胡波(1987一),男,硕士研究生. 。2・ 广西师范学院学报:自然科学版 第28卷 令BL(x)表示x中所有有界线性算子的空间,其范数If 『I=sup 记p( )和 ( )分别为算子 的预解集和谱集.即 p( ):{z∈C:( 一 )一 ∈BL(X)}, 以及 的谱集 ( )=C\p( ). I:II Il≤1, ∈x}.我们 因为 是紧的积分算子,我们令 是 的一个非零特征值,其代数重数为m.记I1是以 为中 心, (0< <dist( , ( )\{ }))为半径一个闭的Jordan曲面,则r p( ),并且 max{ ( 一z )一 II:z∈r}≤ C, 这里C是与 无关的常数.我们又令关于 和 的谱投影算子为 P=一击l(二71"ZJ 一z_a)~dz. r 显然,当 充分大时,r 』D( ),并且maxⅧ( 一 ) 11:z∈I1}≤c,这里c是与 无关的常 数. 如果P =一 .1 ( 一 )dz是关于算子 的谱投影算子,且秩为 ,那么,F内的谱点由 -., .我们记 = 为这 个特征值的代数均 个特征值组成,分别记为 值. 对于 的非零子空间 和 ,令 艿( ,Z)=sup{dist(y,Z):Y E ,I lY『I=1}, 那么,称 ( ,Z)=max{ ( ,Z), ( ,Y)} 为空间 与 的间隙. 定理2.1当 充分大时,存在与 无关的常数C,使得 8(R(P),R(P ))≤c Il( 一 ) Il,l A一 l≤c f1 ( 一 ) lI. 具体证明分别参看[2]和[3]. 2.2基本原理 设 是 上的有界开集,E是n的边界,历:n+E,屁 中的点记为X:(z , 2),Y=(Y。, ). 对任何X∈E,假设X的影响区域是R(X),半径为r(X),则R(x)是边界E中的一部分且能被曲线 坐标表示如下: R(x( )):={Y(;)∈E,l i—s l≤r(x)}, 也是 (2.2) i是边界点y的曲线坐标.假设C 表示具有S次连续导数的函数.显然E如果是 曲线,则R(X) 曲线,因此对m< ,a X(S)los 是有界的.设点x ∈E(1<i<N)为边界点,则在R(x) 上,x ∈R(x)的曲线坐标记为S 并假设有k(x)个边界点在R(X)上,用, , :,…, 表示那些点的 全部序列数.并且定义为A(X)={, , :,…,L}.从(2.2)中可知,x 的影响区域是 R ::R(X (5))={Y(i)∈E,l j—S I≤r( )}, 其中{R } 是E的有限开覆盖即EC UL R .用 R :={X∈E,x ∈R(X)} (2.3) 表示包括边界点X 的影响区域的边界点集,则可知对于不同的边界点X,影响区域是从一点变化到另 一点,因此R =R 当且仅当对于任何x∈E,r( )是常数. 2.3 MLS(moving least squares)方法的基本近似 首先假设x(S)EE,对于给定函数 ∈R(X)的一个逼近函数记为 ,定义为 第3期 胡波,等:紧积分算子特征值无网格Galerkin算法 卢 ・3 ・ 口(x)≈ (x(s))=∑ (s) (s)= r(s)口(s), 0 (2.4) 其中 是逼近算子,口f(S)是与X(s)相关的系数.令 (S)=[ 。(s), (S),…, (s)],其中 (S) 表示多项式的基.显然,dim( (S))=卢+1. 对给定在R(x)上的估计点X(S。),有 (s)=[1,s—S。,…,(S—s ) ] . 实际上,S—S。是边界点S对估计点s 的局部相关坐标.因此,当边界点就是估计点时,即s—S。三0时, (S)1 一 :o=[1,0,…,0] . 对于向量。(S),我们定义泛函 为 (s)=∑W (x)[ (si)口(s)一 ] , 其中∞ (x):=∞(s—s )是权函数,满足(Di(s)∈c , >0,∞ (s)>0,∑ 。∞ (s)=1. 为求 (s)使得泛函 达到极小,问题转为求 (s)对于s的稳定点,即求s使其满足 (s)=0.从 而,有 口(S)=A (S)B(s)q, (2.5) 其中, [A(s)]业=∑cu (s) (s ) (sj), [B(S)J =∞fl(s) (slk),0≤ ≤志,1≤志≤志(X),^∈A(S), q^=vI^. 将(2.5)代入(2.4)得 (x)≈ (x( ))=∑ ( ) , (2.6) (x)=∑ (s)[A ( )B( )] , { Ik , 7, 则(2.6)可以重写为 (x)≈ (z)=∑ (∈A( ) x) =∑ (=1 x) , 在此,我们称 为MLS的形函数.并且记 (r)=span{ ,1≤ ≤N}. 3特征值问题无网格Galerkin方法 令S 一X 的线性投影算子,其中子空间X =span{ (z),i=1,2,…,以(z)} .且由于 A( )≤N,所以 .利用该投影算子,特征值问题 =2u. 转化为求近似解 ∈X 及 ∈C使得 J(nU =X.u , 其中 =S Lx为算子 的一个近似算子. 下面我们分析算法的误差估计.为此我们先给出一些假设和一些技术性的引理. 命题3.1对于任何x(s)∈r,A( )非奇异的必要条件是在R(X)上存在至少p个边界点. 命题3.2 如果多项式的基 ,∈ ,0≤ ≤J9, >O,及 ∈C (R ),1≤ ≤N, >0,则 ∈ C面“( ,乞 ( ). ・4・ 广西师范学院学报:自然科学版 第28卷 根据(2.3)和(2.7)司知 命题3.3 MLS的形函数有紧支集,且 (x)∈C (R ). 假设3.4若存在常数h使得h=sup {r(z)},则表明任何边界点的影响区域的半径小于h. 记号3.5记y=min(E , , ),其中 表示边界曲线的连续阶数. 引理3.6设S 是L (E)一 的投影,则对于任意 (x)∈H (E),有 lI (x)一s (x) ( )≤c Il (x)i (E),l 其中(y+1)≤k≤m,0≤ ≤y,优,k是非负整数,C是与h无关的常数. 证明具体的证明请看参考文献[1]. 引理3.7 设K(・,・)∈C 一,m2(E×E),其中 , 为正整数,则当^一。时II 一 ll一0. 证明 由K(・,・)∈C z(E×E)可推知, ∈H (E).又由引理3.6,可知 , s 『}: (J—s ) ll:sup.6 L2(E)旦 。= 从而, s 【l≤c 由H61der不等式知 . (3.1) I I把(3.2)代入(3.1)得 ( )=f IK ’。( )“(£)d£l≤C l, 一(3.2) s^ ≤ , 显然,当矗一0时, 一 l一0,其中C,C ,C:是常数. 定理3.8设S 为x—X 的线性投影算子,核函数为K(・,・)∈C t,m2(E×E),则 (R(P),R(P ))≤ll( 一Sh ) ll=。(h ), l 一 l≤l (1 一Sh ) =。(^ ), 证明 由算子 的有界性及引理3.6和定理2.1,有 lI( 一s ) ≤ 从而, (J—s ) <Ch . 8(R(P),R(P ))≤ll( 一s ) =。( ), 另一方面,由定理2.1有 一工 Ii≤ll ( 一Sh ) 【l, 由S 为 —X 的线性投影算子知 (j—S )=(J—S ) , 因为, 『 Is ( 一5 ) ≤I}s ( 一s ) ≤ C l (f—S ) ≤c l (I—s )f—s )l II≤II( —s ) II , 也即是 } — 1≤C ( —S ) 又由 , IJ( —S ) I1≤h , 即得 —Jli l≤ 其中C是与h无关的常数且C是变化的. . 第3期 胡波,等:紧积分算子特征值无网格Galerkin算法 ・5 ・ 参考文献: [1]LI Xiaolin,ZHU Jialin.A Galerkin boundary node method and its convergence analysis[J].J COm Appl Math,2009, 230:314—328. [2]KULKARNI R P.A new supereonvergent collocation method for approximate solutions of compact operator equation[J]. Math Comp,2006,75:847—857. [3]OSBORN J E.Spectral Approximation for Compact Operators[J].Math Comp,1975,29:712—725. 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