🔧На сайте запланированы технические работы
25.12.2025 в промежутке с 18:00 до 21:00 по Московскому времени (GMT+3) на сайте будут проводиться плановые технические работы. Возможны перебои с доступом к сайту. Приносим извинения за временные неудобства. Благодарим за понимание!
🔧Site maintenance is scheduled.
Scheduled maintenance will be performed on the site from 6:00 PM to 9:00 PM Moscow time (GMT+3) on December 25, 2025. Site access may be interrupted. We apologize for the inconvenience. Thank you for your understanding!

 

Numerical Study of the Rate of Convergence of Chernoff Approximations to Solutions of the Heat Equation

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The article is devoted to construction of examples illustrating (using computer calculation) the convergence rate of Chernoff approximations to the solution of the Cauchy problem for the heat equation. Two Chernoff functions (of the first and second order of Chernoff tangency to the double differentiation operator) and several initial conditions of different smoothness are considered. As an illustration for the initial condition equal to the absolute value of the sine function to the power of five over two, a graph of the exact solution of the Cauchy problem and graphs of the tenth Chernoff approximations given by two different Chernoff functions are plotted. It is visually determined that the approximations are close to the solution. For each of the two Chernoff functions, for several initial conditions of different smoothness and for the approximation numbers up to 11, the error corresponding to each approximation is numerically found. This error is understood as the supremum of the absolute value of the difference between the exact solution and its approximating function. As it turned out, in all the cases studied, the error dependence on the approximation number nearly power-law form. This follows from the fact that the dependence of the error logarithm on the logarithm of the approximation number is close to linear. By finding the equation of the approximating line using linear regression, we find the exponent in the power dependence of the error on the approximation number and call it the order of convergence. These orders for all studied initial conditions are compiled in a table. The empirical dependence of the convergence order on the smoothness class of the initial condition is found on the considered family of initial conditions.

About the authors

Ksenia A. Dragunova

National Research University «Higher School of Economics»

Email: k.dragunova13@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9318-6681

Master's of the Faculty of Informatics, Mathematics and Computer Science

Russian Federation, 25/12 B. Pecherskaya St., Nizhny Novgorod 603150, Russia

Nasrin Nikbakht

University of Auckland

Email: nasrin.nikbakht@gmail.com
ORCID iD: 0009-0001-7152-6590

PhD student in Mathematics at Department of Mathematics

New Zealand, Auckland 1142, New Zealand

Ivan D. Remizov

National Research University Higher School of Economics in Nizhny Novgorod

Author for correspondence.
Email: ivremizov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-1968-0793

Ph.D. in Physics and Mathematics, Senior Research Fellow of International laboratory of dynamical systems and applications

Russian Federation, 25/12 B. Pecherskaya St., Nizhny Novgorod 603150, Russia

References

  1. Ya. A. Butko, "The method of Chernoff approximation", Springer Proceedings in Mathematics and Statistics, 325 (2020), 19–46. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-46079-2 2
  2. P. R. Chernoff, "Note on product formulas for operator semigroups", J. Functional Analysis, 238:2 (1968). DOI: https://doi.org/10.1016/0022-1236(68)90020-7
  3. K.-J. Engel, R Nagel, One-parameter semigroups for linear evolution equations, Springer, NY, 1999 DOI: https://doi.org/10.1007/b97696, 589 p.
  4. I. D. Remizov, "Feynman and Quasi-Feynman formulas for evolution equations", Doklady Mathematics, 96 (2017), 433—437. DOI: https://doi.org/10.1134/S1064562417050052
  5. O. G. Smolyanov, E. T. Shavgulidze, [Continual integrals], MSU Publ., Moscow, 1990 (In Russ.), 150 с.
  6. R. Sh. Kalmetev, Yu. N. Orlov, V. Zh. Sakbaev, "Chernoff iterations as an averaging method for random affine transformations", Computational Mathematics and Mathematical Physics, 62:6 (2022), 996–1006. DOI:
  7. https://doi.org/10.31857/S0044466922060114
  8. I. D. Remizov, "Quasi-Feynman formulas – a method of obtaining the evolution operator for the Schr¨odinger equation", Journal of Functional Analysis, 270:12 (2016), 4540-4557. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jfa.2015.11.017
  9. V.A. Zagrebnov, "Notes on the Chernoff product formula", Journal of Functional Analysis, 279:7 (2020). DOI: https://doi.org/10.1016/j.jfa.2020.108696
  10. A. V. Vedenin, "Fast converging Chernoff approximations to solution of a parabolic differential equation on a real line", Zhurnal Srednevolzhskogo matematicheskogo obshchestva, 24:3 (2022), 280–288. DOI: https://doi.org/10.15507/2079-6900.24.202203.280-288
  11. O. E. Galkin, I. D. Remizov, "Upper and lower estimates for rate of convergence in the Chernoff product formula for semigroups of operators", 2021. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2104.01249
  12. A. V. Vedenin, V. S. Voevodkin, V. D. Galkin, E. Yu. Karatetskaya, I. D. Remizov, "Speed of convergence of Chernoff approximations to solutions of evolution Equation", Math. Notes, 108:3 (2020), 451—456 (In Russ.). DOI:
  13. https://doi.org/10.4213/mzm12704
  14. K. A. Dragunova, A. A. Garashenkova, N. Nikbakht, I. D. Remizov, "Numerical study of the rate of convergence of Chernoff approximations to solutions of the heat equation with full list of illustrations and Python source code", 2023. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2301.05284
  15. I. D. Remizov, "On estimation of error in approximations provided by Chernoff ’s product formula", International Conference "ShilnikovWorkshop-2018" dedicated to the memory of outstanding Russian mathematician Leonid Pavlovich Shilnikov (1934-2011), 2018, 38–41.
  16. O. E. Galkin, I. D. Remizov, "Rate of Convergence of Chernoff Approximations of operator C0-semigroups", Mathematical Notes, 111:2 (2022), 305—307. DOI: https://doi.org/10.4213/mzm13292
  17. P. S. Prudnikov, "Speed of convergence of Chernoff approximations for two model examples: heat equation and transport equation", 2020. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2012.09615
  18. Yu. N. Orlov, V. Zh. Sakbaev, O. G. Smolyanov, "Rate of convergence of Feynman approximations of semigroups generated by the oscillator Hamiltonian", Theoretical and Mathematical Physics, 172:1 (2012), 987–1000 (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.4213/tmf6936
  19. I. D. Remizov, "Approximations to the solution of Cauchy problem for a linear evolution equation via the space shift operator (second-order equation example)", Applied Mathematics and Computation, 328 (2018), 243-246. DOI:
  20. https://doi.org/10.1016/j.amc.2018.01.057

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) Dragunova K.A., Nikbakht N., Remizov I.D.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».