非线性分数阶Schrödinger方程的高阶守恒算法

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Schr(o)dinger方程是描述物理系统的量子态随时间演化的偏微分方程,是量子力学的基础方程之一,在原子、分子、固体物理、核物理、化学等领域中被广泛应用,而分数阶Schr(o)dinger方程是对经典Schr(o)dinger方程的自然广义化,因此,研究分数阶Schr?dinger方程有着重要的理论意义.  我们首先简单介绍了Schr(o)dinger方程以及分数阶Schr(o)dinger方程的研究现状,总结和分析了学者们逼近分数阶算子的方法,回顾了由加权位移Lubich差分算子导出的Riemann-Liouville分数阶导数的高阶逼近格式.  接着,我们考虑含Riesz空间分数阶导数的非线性分数阶Schr(o)dinger方程.对此方程,在空间方向,我们从Riesz空间分数阶导数和Riemann-Liouville分数阶导数的等价关系入手,利用Riemann-Liouville分数阶导数的高阶逼近格式来得到前者的逼近格式;在时间方向,采用Crank-Nicolson格式,从而得到了一种高阶守恒的差分算法,并且该算法的截断误差为 O(τ2+h4),其中τ和h分别为时间步长和空间步长.  然后,我们严格分析了算法的守恒性质,包括质量守恒和能量守恒,由质量守恒可得格式的无条件稳定性.利用Brouwder不动点定理,证明了差分格式是可解的.随后,基于Gronwall不等式与Cauchy-Schwarz不等式,在无网比限制条件下,我们证得了所构造的算法在L2-范数意义下的收敛性即无条件收敛性,且收敛精度为O(τ2+h4).  最后,我们给出数值算例,验证理论分析结果和格式的有效性,并指出所研究方程中的参数在实际中的应用.
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