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Integración numérica semi-implícita de problemas de valor de contorno

Autores: Galchenko, Maksim; Fedoseev, Petr; Andreev, Valery; Kovács, Endre; Butusov, Denis

Idioma: Inglés

Editor: MDPI

Año: 2024

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Acceso abierto

Artículo científico
2024

Integración numérica semi-implícita de problemas de valor de contorno


Categoría

Matemáticas

Subcategoría

Matemáticas generales

Palabras clave

Solución numérica
Métodos de integración implícita
Costos computacionales
Integradores numéricos semi-implícitos
Problemas de límite
Concepto de solucionador intermitente

Licencia

CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual

Consultas: 35

Citaciones: Sin citaciones


Descripción
La solución numérica de problemas diferenciales de límites es una tarea crucial en las matemáticas aplicadas modernas. Por lo general, se aplican métodos de integración implícitos para resolver esta clase de problemas debido a su alta estabilidad numérica y convergencia. La conocida desventaja de los algoritmos implícitos es el alto costo computacional, que puede resultar inaceptable en el caso de numerosas llamadas a funciones del lado derecho, que son típicas al resolver problemas de límites a través del método de disparo. Mientras tanto, recientemente los integradores numéricos semi-implícitos han ganado un gran interés entre los académicos, proporcionando un equilibrio eficiente entre costos computacionales, estabilidad y precisión. Sin embargo, la aplicación de métodos semi-implícitos para resolver problemas de límites no ha sido investigada en detalle. En este artículo, nuestro objetivo es llenar esta brecha construyendo un solucionador de problemas de límites semi-implícito y comparando el rendimiento de métodos explícitos, semi-implícitos, semi-explicitos e implícitos usando un conjunto de problemas de límites de prueba lineales y no lineales. El novedoso concepto de solucionador intermitente se introduce para superar la principal desventaja de los esquemas semi-implícitos, a saber, la baja convergencia en soluciones exponenciales. La estabilidad numérica del solucionador intermitente semi-implícito se investiga y se compara con métodos existentes trazando las regiones de estabilidad. Se obtienen gráficos de rendimiento para los métodos investigados como una dependencia entre el error de truncamiento global y el tiempo de cálculo estimado. Los resultados experimentales confirman la suposición de que los métodos numéricos semi-implícitos pueden superar significativamente tanto a los solucionadores explícitos como a los implícitos al resolver problemas de límites, especialmente en la modificación intermitente propuesta. Los resultados de este estudio pueden ser utilizados eficientemente para crear software para resolver problemas de límites, incluidas ecuaciones de derivadas parciales. La construcción de métodos numéricos semi-implícitos de órdenes de mayor precisión también es de interés para investigaciones futuras.

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