2024年, 第46卷, 第1期　刊出日期：2024-02-14

  

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  一种推广的求解可分离凸优化问题的黄金比率邻近ADMM算法

  闫喜红, 李浩, 王川龙, 陈红梅, 杨俊锋

  计算数学. 2024, 46(1): 1-16. https://doi.org/10.12286/jssx.j2023-1056

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  ADMM 算法是求解可分离凸优化问题的经典算法之一, 但其无法保证原始迭代序列的收敛性且其子问题计算量很大. 为了保证该算法所有迭代点列的全局收敛性及提高计算效率, 采用凸组合技术的黄金比率邻近ADMM 算法被提出, 其中凸组合因子$\psi$ 是关键参数. 本文在黄金比率邻近ADMM 算法的基础上, 扩大了凸组合因子$\psi$ 的取值范围, 提出了收敛步长范围更广的推广黄金比率邻近ADMM 算法. 并在一定的假设下, 证明了算法的全局收敛性及函数值残差和约束违反度在遍历意义下的$\mathcal{O}(1/N)$ 次线性收敛速度. 以及, 当目标函数中任意一个函数强凸时, 证明了算法在遍历意义下的$\mathcal{O}(1/N^2)$ 收敛率. 最后, 本文通过数值试验表明推广算法的有效性.
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  水平线性互补问题投影迭代法和模系矩阵分裂迭代法的等价性

  曹阳, 杨庚辰, 沈琴琴, 周晨璨

  计算数学. 2024, 46(1): 17-37. https://doi.org/10.12286/jssx.j2022-1012

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  水平线性互补问题(HLCP)是著名线性互补问题(LCP)的重要推广形式之一, 投影迭代法和模系矩阵分裂迭代法是最近提出的求解HLCP两类非常有效的热点方法.本文研究表明, 尽管这两类方法导出原理不同, 但在一定条件下是等价的. 特别地, 当模系矩阵分裂迭代法中参数矩阵$\Omega$取为特定的正对角矩阵时,投影Jacobi法、投影Gauss-Seidel法和投影SOR法分别等价于模系Jacobi迭代法、加速的模系Gauss-Seidel迭代法和加速的模系SOR迭代法. 此外, 对一般的正对角矩阵$\Omega$,本文也研究了两类方法的等价性. 最后, 通过数值算例验证了本文的理论结果.
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  大变形网格上时间二阶精度扩散方程的保正格式

  谢晨元, 兰斌, 杨德贤, 李海燕

  计算数学. 2024, 46(1): 38-46. https://doi.org/10.12286/jssx.j2022-1041

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  本文基于已有的连续扩散通量的两点非线性离散格式, 构造了2D非稳态扩散方程大变形网格上的两层非线性有限体积格式. 该格式利用Crank-Nicolson(C-N)方法的思想在时间方向获得了二阶精度. 由于所得代数方程组的系数矩阵的转置是M矩阵, 从而能够保持解的正性, 并利用Brouwer不动点定理证明了格式解的存在性. 数值实验结果表明, 在较大时间步长下, 该格式具有二阶计算精度.
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  海面下方多障碍体散射问题数值研究

  王珏, 亓艳

  计算数学. 2024, 46(1): 47-78. https://doi.org/10.12286/jssx.j2022-1043

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  本文针对二维空间中海面下方多障碍体散射问题, 分别从理论分析和数值计算两方面进行研究. 通过分析散射问题的特性, 利用Helmholtz方程, 结合不同边界条件以及无穷远处辐射条件, 建立了海面下方多障碍体散射问题的数学模型, 并证明了散射问题解的唯一性. 基于位势理论, 利用间接积分方程方法, 得到了不同区域的场所满足的积分表示, 以及边界上密度函数所满足的边界积分方程. 通过引入位势算子, 将积分区域进行截断, 得到有界域上的算子方程. 针对所建立的边界积分方程系统, 利用Nyström方法构造数值格式, 并证明了数值解的收敛性. 最后, 利用数值实验验证理论的正确性和有效性. 进一步, 通过设计数值实验分析不同参数对散射问题的影响.
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  解Stokes方程的一种无散稳定二次有限体积法格式

  张杰华, 韩明华

  计算数学. 2024, 46(1): 79-98. https://doi.org/10.12286/jssx.j2023-1047

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  在三角形网格上构造了一种求解Stokes方程的Lagrange二次有限体积法格式. 取连续的二次有限元空间与间断的线性有限元空间分别作为Stokes方程的速度项与压力项的试探空间, 从而保证了离散方程的速度解在宏元三角形单元上满足局部质量守恒性, 且有限元空间对自然满足所谓的inf-sup条件. 采用特殊的有限体积法映射与对偶剖分, 求解Stokes方程的Lagrange二次有限体积法格式等价于相对应的有限元法格式, 因此确保了有限体积法格式的无条件(无需约束三角形网格的几何形状)稳定性和关于速度项的最优阶$\mathbf{H}^1$范数的误差估计. 最后, 数值实验展示了理论结果的正确性以及有限体积法的数值模拟在计算流体力学中的有效性.
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  非线性对流占优扩散方程经济型差分流线扩散法无网格比超收敛分析

  石东洋, 张林根

  计算数学. 2024, 46(1): 99-115. https://doi.org/10.12286/jssx.j2023-1048

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  本文主要用经济型差分流线扩散(EFDSD)法研究非线性对流占优扩散方程的向后 Euler (BE) 全离散有限元格式, 并在时间步长 $\tau$ 和空间剖分参数 $h$ 的比值无约束下, 导出 $H^1$ 模意义下具有 $O(h^2+\tau)$ 阶的超收敛性质. 首先, 引入时间离散系统, 将误差分为时间误差和空间误差两部分, 并利用数学归纳法, 通过时间误差给出了时间离散方程解的正则性. 其次利用空间误差导出有限元解的 $W^{0, \infty}$ 模的有界性, 再借助插值后处理技巧得到了 $H^1$ 模意义下的无网格比的超逼近和整体超收敛结果. 最后, 通过数值例子对理论分析的正确性和算法的高效性予以了验证.
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  三维位势问题快速多极算法整体误差的收敛定理

  刘治沼, 孟文辉

  计算数学. 2024, 46(1): 116-128. https://doi.org/10.12286/jssx.j2023-1092

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  快速多极算法是加速计算由许多物理问题得出的大型稠密线性方程组的一种有效算法. 本文研究了求解三维位势问题快速多极算法整体误差的收敛性问题. 首先推导了整体误差的表达式, 然后给出了误差上界. 其次将结果应用于自适应八叉树结构, 得到具体的误差收敛阶. 最后通过具体的数值算例验证了本文的结果. 本文的方法和结论也可以推广到计算弹性静力学问题和斯托克斯流问题的快速多极算法的误差分析中.