Fast converging Chernoff approximations to the solution of heat equation with variable coefficient of thermal conductivity

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Аннотация

This paper is devoted to a new method for constructing approximations to the solution of a parabolic partial differential equation. The Cauchy problem for the heat equation on a straight line with a variable heat conduction coefficient is considered. In this paper, a sequence of functions is constructed that converges to the solution of the Cauchy problem uniformly in the spatial variable and locally uniformly in time. The functions that make up the sequence are explicitly expressed in terms of the initial condition and the thermal conductivity coefficient, i.e. through functions that play the role of parameters. When constructing functions that converge to the solution, ideas and methods of functional analysis are used, namely, Chernoff's theorem on approximation of operator semigroups, which is why the constructed functions are called Chernoff approximations. In most previously published papers, the error (i. e., the norm of the difference between the exact solution and the Chernoff approximation with number $n$) does not exceed $const/n$. Therefore, approximations, when using which the error decreases to zero faster than $const/n$, we call fast convergent. This is exactly what the approximations constructed in this work are, as follows from the recently proved Galkin-Remizov theorem.  Key formulas, explicit forms of constructed approximations, and proof schemes are given in the paper. The results obtained in this paper point the way to the construction of fast converging Chernoff approximations for a wider class of equations.

Авторлар туралы

Aleksandr Vedenin

Higher School of Economics

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: lcsndr@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4035-7579

Postgraduate Student, Department of Fundamental Mathematics

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

Әдебиет тізімі

  1. Numerical methods for partial differential equations, ed. . by G. Evans, J. Blackledge, P. Yardley, Springer, 2000 DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4471-0377-6, 304 p.
  2. V. Ruas., Numerical methods for partial differential equations: an introduction, Wiley, 2016., 376 p
  3. Numerical methods for PDEs: state of the art techniques, ed. by D. A. Di Pietro, A. Ern, L. Formaggia, Springer, Cham, Switzerland, 2018, 330 p.
  4. K.-J. Engel, R. Nagel., One-parameter semigroups for linear evolution equations, Springer, New York, 2000 DOI: https://doi.org/10.1007/b97696, 589 p.
  5. P. R. Chernoff, “Note on product formulas for operator semigroups”, J. Functional Analysis, 2:2 (1968), 238–242. DOI: https://doi.org/10.1016/0022-1236(68)90020-7
  6. Ya. A. Butko, “The method of Chernoff approximation”, Springer Proceedings in Mathematics and Statistics, 325 (2020), 19-46. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.1905.07309
  7. I. D. Remizov, “Solution-giving formula to Cauchy problem for multidimensional parabolic equation with variable coefficients”, Journal of Mathematical Physics, 60:7 (2019). DOI: https://doi.org/10.1063/1.5038102
  8. I. D. Remizov, “Quasi-Feynman formulas a method of obtaining the evolution operator for the Schrödinger equation”, J. Funct. Anal, 270:12 (2016), 4540-4557. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jfa.2015.11.017
  9. A.Gomilko, S.Kosowicz, Yu.Tomilov, “A general approach to approximation theory of operator semigroups”, Journal de Mathématiques Pures et Appliquées, 127 (2019), 216–267. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matpur.2018.08.008
  10. 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 (2012), 987–1000. DOI: https://doi.org/10.1007/s11232-012-0090-x
  11. A. Gomilko, Yu. Tomilov, “On convergence rates in approximation theory for operator semigroups”, Journal of Functional Analysis, 266:5 (2014), 3040–3082. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jfa.2013.11.012
  12. 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), book of abstracts, 2018, 38–41.
  13. 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 equations”, Mathematical Notes, 108:3 (2020), 451–456. DOI: https://doi.org/10.1134/S0001434620090151
  14. O. E. Galkin, I. D. Remizov., “Rate of convergence of Chernoff approximations to C₀-semigroups of operators”, Mathematical Notes, 111:2 (2022), 305–307. DOI: https://doi.org/10.1134/S0001434622010345
  15. O. E. Galkin, I. D. Remizov., “Upper and lower estimates for rate of convergence in the Chernoff product formula for semigroups of operators”, 2022, 33 p. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2104.01249
  16. P. S. Prudnikov, “Speed of convergence of Chernoff approximations for two model examples: heat equation and transport equation”, 2012, 27 p. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2012.09615

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML

© Vedenin A.V., 2026

Creative Commons License
Бұл мақала лицензия бойынша қолжетімді 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».